光子集成芯片和微系統研究獲突破

5月18日，北京大學教授王興軍課題組和美國加州大學圣芭芭拉分校教授John E. Bowers課題組在《自然》雜志在線發表研究論文，在世界上首次報道了由集成微腔光梳驅動的新型硅基光電子片上集成系統，研究團隊歷時3年協同攻關，終于攻克了這一世界性難題。

王興軍告訴《中國科學報》，這個工作是集成光梳和硅光的完美結合，是世界學術界和產業界關注的焦點，它打通了光頻梳從實驗室走向產業化的最后一公里，從而可以真正讓這項技術走向大規模應用。同時，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。

談及未來應用，王興軍說，“在光子芯片和微系統領域必將帶來一場新的技術變革，相關研究成果有望直接應用于數據中心、5/6G通信、自動駕駛、光計算等領域，為下一代片上光電子信息系統提供了全新的研究范式和發展方向。”

光梳，又叫光學頻率梳，因其用途廣泛，一直以來都是國際光學界的重要研究熱點。美國國家標準與技木研究院教授John Lewis Hall和德國馬普量子光學所的Theodor Hansch教授因在光梳方面的杰出貢獻，獲得了2005年諾貝爾物理學獎。而近年來芯片級的光梳（微腔光梳）由于緊湊的尺寸和低廉的成本極大拓展了其應用范圍。

然而，大部分基于微腔光梳的系統級應用中，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、無源/有源處理器件、電路控制單元）均未實現集成，在成本、尺寸和功耗上極大地削弱了微腔光梳芯片化帶來的優勢，因此，集成光梳系統層面的集成對光頻梳技術的實用化和普及化具有重大意義。

與此同時，近20年來，硅基光電子集成芯片技術（硅光）借助成熟的CMOS工藝，可大規模集成傳統光學系統所需的功能器件，極大提升片上信息傳輸和處理的速度和容量，可為下一代數據中心、通信系統、高性能計算、自動駕駛等領域帶來變革性突破，是公認的現代信息系統的功能升級和產業布局的核心技術，是世界光電子領域競爭的主陣地。

目前，隨著應用市場的拓展和系統規模的大幅度提升，硅基光電子片上系統架構正向多通道和高并行的架構演進，隨之而來的便是日趨增長的對低成本和高穩定性并行光源的需求。然而，由于硅材料本身不發光，硅基激光器的實現一直是世界性難題，在硅基光電子芯片上研發出多路并行的硅基光源更被公認為是該領域最大的瓶頸之一。

王興軍領導的研究團隊通過直接由半導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，結合硅基光電子集成技術工業上成熟可靠的集成解決方案，完成大規模集成系統的高效并行化。

利用這種高集成度的系統，可以實現T比特速率微通信和亞GHz微波光子信號處理，提出高密度多維復用的微通信和微處理芯片級集成系統的全新架構，開創了下一代多維硅光集成微系統子學科的發展。

相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04579-3