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光子集成芯片和微系統(tǒng)研究獲突破
作者：崔雪芹 來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)
山東拓普生物工程有限公司  http://www.jlkcpj.cn
集成微腔光梳驅(qū)動(dòng)的硅基集成光電子片上系統(tǒng)圖。（受訪者供圖）
5月18日，北京大學(xué)教授王興軍課題組和美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校教授John E. Bowers課題組在《自然》雜志在線發(fā)表研究論文，在世界上首次報(bào)道了由集成微腔光梳驅(qū)動(dòng)的新型硅基光電子片上集成系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)3年協(xié)同攻關(guān)，終于攻克了這一世界性難題。
王興軍告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，這個(gè)工作是集成光梳和硅光的完美結(jié)合，是世界學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，它打通了光頻梳從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的最后一公里，從而可以真正讓這項(xiàng)技術(shù)走向大規(guī)模應(yīng)用。同時(shí)，它也解決了硅光多路并行光源的世界性難題，使硅光有了自己大腦。
談及未來(lái)應(yīng)用，王興軍說，“在光子芯片和微系統(tǒng)領(lǐng)域必將帶來(lái)一場(chǎng)新的技術(shù)變革，相關(guān)研究成果有望直接應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、5/6G通信、自動(dòng)駕駛、光計(jì)算等領(lǐng)域，為下一代片上光電子信息系統(tǒng)提供了全新的研究范式和發(fā)展方向。”
光梳，又叫光學(xué)頻率梳，因其用途廣泛，一直以來(lái)都是國(guó)際光學(xué)界的重要研究熱點(diǎn)。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技木研究院教授John Lewis Hall和德國(guó)馬普量子光學(xué)所的Theodor Hansch教授因在光梳方面的杰出貢獻(xiàn)，獲得了2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。而近年來(lái)芯片級(jí)的光梳（微腔光梳）由于緊湊的尺寸和低廉的成本極大拓展了其應(yīng)用范圍。
然而，大部分基于微腔光梳的系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用中，僅有微腔本身為集成器件，其余的組成部分（包括泵浦激光器、無(wú)源/有源處理器件、電路控制單元）均未實(shí)現(xiàn)集成，在成本、尺寸和功耗上極大地削弱了微腔光梳芯片化帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，因此，集成光梳系統(tǒng)層面的集成對(duì)光頻梳技術(shù)的實(shí)用化和普及化具有重大意義。
與此同時(shí)，近20年來(lái)，硅基光電子集成芯片技術(shù)（硅光）借助成熟的CMOS工藝，可大規(guī)模集成傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)所需的功能器件，極大提升片上信息傳輸和處理的速度和容量，可為下一代數(shù)據(jù)中心、通信系統(tǒng)、高性能計(jì)算、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域帶來(lái)變革性突破，是公認(rèn)的現(xiàn)代信息系統(tǒng)的功能升級(jí)和產(chǎn)業(yè)布局的核心技術(shù)，是世界光電子領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的主陣地。
目前，隨著應(yīng)用市場(chǎng)的拓展和系統(tǒng)規(guī)模的大幅度提升，硅基光電子片上系統(tǒng)架構(gòu)正向多通道和高并行的架構(gòu)演進(jìn)，隨之而來(lái)的便是日趨增長(zhǎng)的對(duì)低成本和高穩(wěn)定性并行光源的需求。然而，由于硅材料本身不發(fā)光，硅基激光器的實(shí)現(xiàn)一直是世界性難題，在硅基光電子芯片上研發(fā)出多路并行的硅基光源更被公認(rèn)為是該領(lǐng)域最大的瓶頸之一。
王興軍領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)通過直接由半導(dǎo)體激光器泵浦集成微腔光頻梳，給硅基光電子集成芯片提供了所需的光源大腦，結(jié)合硅基光電子集成技術(shù)工業(yè)上成熟可靠的集成解決方案，完成大規(guī)模集成系統(tǒng)的高效并行化。
利用這種高集成度的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)T比特速率微通信和亞GHz微波光子信號(hào)處理，提出高密度多維復(fù)用的微通信和微處理芯片級(jí)集成系統(tǒng)的全新架構(gòu)，開創(chuàng)了下一代多維硅光集成微系統(tǒng)子學(xué)科的發(fā)展。
相關(guān)論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04579-3