第一作者：胡浩、Francesco Da Ros、蒲敏皓
通訊作者：胡浩
通訊單位：丹麥科技大學(xué)（DTU）
研究亮點(diǎn)：
1. 展示了一種基于非諧振腔的芯片光頻梳，不僅性能更加穩(wěn)定，而且光頻梳的產(chǎn)生效率大幅提高到66%。
2. 實(shí)現(xiàn)了基于芯片的單光源大容量光通信系統(tǒng)，傳輸數(shù)據(jù)容量甚至超出當(dāng)今全球互聯(lián)網(wǎng)（Internet）的數(shù)據(jù)總流量。
當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)每秒鐘傳輸著幾百萬(wàn)億（~1014）比特的數(shù)據(jù)，消耗世界總電量的9%，而且還在以每年20-30%的速度持續(xù)增長(zhǎng)。盡管世界范圍內(nèi)已經(jīng)鋪設(shè)了大量基于普通單模單芯光纖以及波分復(fù)用（WDM）技術(shù)的光纖通信系統(tǒng)，受限于光纖非線性等因素，當(dāng)前的光傳輸容量已經(jīng)接近瓶頸。
為了進(jìn)一步提高傳輸容量，多維度的復(fù)用技術(shù)（如波分、空分復(fù)用等）開始被采用。多維度復(fù)用技術(shù)需要使用大量不同波長(zhǎng)的高品質(zhì)激光器作為光源，然而激光器數(shù)量的增加將引起系統(tǒng)能耗隨之增加，限制了光通信系統(tǒng)容量的進(jìn)一步提升。
有鑒于此，丹麥科技大學(xué)（DTU）胡浩，Francesco Da Ros以及蒲敏皓等人組成的科研團(tuán)隊(duì)基于獲得諾貝爾獎(jiǎng)的光頻梳技術(shù)實(shí)現(xiàn)了單光源661 Tbit/s的大容量數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)突破了傳輸容量以及系統(tǒng)能耗兩大瓶頸。
據(jù)悉，2014年，胡浩團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造世界最快單激光器數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠涗洠?3 Tbit/s），2016年再次刷新單光源數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠涗?/span>，這次是他第三次刷新單光源數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠涗洝?/span>
圖1. 基于AlGaAsOI光子芯片的光頻梳
該工作是利用非線性效應(yīng)在光芯片中通過(guò)單光源泵浦產(chǎn)生光頻梳作為波分復(fù)用系統(tǒng)的多波長(zhǎng)光源，結(jié)合特殊設(shè)計(jì)的低串?dāng)_單模多芯光纖實(shí)現(xiàn)的，為未來(lái)進(jìn)一步集成打下了基礎(chǔ)。這項(xiàng)科研成果所實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸流量約是目前全球互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)總流量的2倍。
由于應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，近年來(lái)基于芯片的光頻梳產(chǎn)生在世界范圍內(nèi)引起了極大的科研興趣。通常產(chǎn)生光頻梳的方法是利用直流光作泵浦，注入到一個(gè)諧振腔中，利用克爾非線性產(chǎn)生光頻梳。
然而，這種方法目前主要存在的問(wèn)題在于：需要在非線性和熱效應(yīng)之間取得平衡，一旦失去這個(gè)平衡，頻率梳也就不復(fù)存在了，所以通常需要額外增加反饋機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定性。此外，這個(gè)方法產(chǎn)生光頻梳的效率較低：明孤子光頻梳的產(chǎn)生效率通常不到1%，暗孤子光頻梳的產(chǎn)生效率雖然可以提高到約20%，但受限于色散的影響，產(chǎn)生頻率梳的帶寬有限。
另外一個(gè)產(chǎn)生寬帶光頻梳的方法是利用脈沖光泵浦，注入到一個(gè)非諧振腔的光波導(dǎo)中，利用自相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)頻率梳展寬。這個(gè)方法的主要技術(shù)難點(diǎn)在于：由于沒有諧振腔的幫助，泵浦光不能被有效地重復(fù)利用，很難在現(xiàn)有的非線性材料平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)頻率梳展寬。
而DTU的研究人員利用III-V族半導(dǎo)體材料鋁鎵砷（AlGaAs）開發(fā)的AlGaAs-on-insulator (AlGaAsOI)納米光波導(dǎo)平臺(tái)，一方面結(jié)合了超高的材料非線性系數(shù)與超強(qiáng)光場(chǎng)束縛帶來(lái)的等效非線性增強(qiáng)（如圖1b所示），另一方面又實(shí)現(xiàn)了低損耗，并通過(guò)調(diào)節(jié)帶隙避免了雙光子吸收，從而打造出了一個(gè)理想的超高效、低損的非線性集成納米波導(dǎo)平臺(tái)。
如圖2所示，在5毫米長(zhǎng)的AlGaAsOI納米光波導(dǎo)中，在泵浦功率僅為85毫瓦的情況下，實(shí)現(xiàn)了約7倍的光譜展寬。通過(guò)這種方法產(chǎn)生光頻梳的效率約為66%，遠(yuǎn)高于基于諧振腔的光頻梳產(chǎn)生。
圖2. 在AlGaAsOI納米光波導(dǎo)中基于自相位調(diào)制的光頻梳展寬
由于很高的光頻梳產(chǎn)生效率，即使不需要太高的泵浦功率，輸出的光頻梳在經(jīng)過(guò)放大后也有足夠高的光信噪比，可用于承載大容量的數(shù)據(jù)信息。為突破光數(shù)據(jù)傳輸容量的瓶頸，在本研究工作中使用了全部6個(gè)物理維度（頻率，幅度，相位，時(shí)間，偏振，空間），盡可能多地加載數(shù)據(jù)信息。其中，特殊設(shè)計(jì)的單模30芯光纖具有4種類型的光纖芯，通過(guò)優(yōu)化的排列實(shí)現(xiàn)了相鄰光纖芯的折射率不同，從而降低不同光纖芯之間的串?dāng)_。
圖3. 基于光頻梳的每秒數(shù)百太（1014）比特超大容量光傳輸系統(tǒng)的示意圖
在本研究工作中，每個(gè)光纖芯中傳輸了80個(gè)波分復(fù)用并行信道，30芯光纖的總信道數(shù)量達(dá)到了2400并行信道。在數(shù)據(jù)傳輸后對(duì)這2400個(gè)并行信道分別進(jìn)行了誤碼率測(cè)量，以保證最終的無(wú)誤碼（誤碼率小于10-15）數(shù)據(jù)傳輸。
圖4. 基于AlGaAsOI芯片產(chǎn)生的光頻梳，進(jìn)行了661 Tbit/s光數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)以及傳輸后的誤碼率測(cè)量
總之，這種基于非諧振腔的片上光頻梳為穩(wěn)定、高效率的產(chǎn)生光頻梳提供了一個(gè)新方法。此外，展示出的基于芯片的單光源大容量光數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，為未來(lái)大容量、低能耗光通信系統(tǒng)提供了新的方向。
作者簡(jiǎn)介：
胡浩現(xiàn)任丹麥科技大學(xué)高級(jí)研究員（相當(dāng)于副教授），從事光纖通信以及納米光學(xué)方面的研究工作，在知名期刊及學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表文章200余篇。2012年曾獲丹麥科技部頒發(fā)的Sapere Aude-Young Research Talent 獎(jiǎng)，2013年在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室任訪問(wèn)研究員，2014年創(chuàng)造世界最快單激光器數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠涗洠?3 Tbit/s），并被engineerjobs.com推選為2014年世界20大科技進(jìn)展（名列第7位），引起包括BBC、新浪、人民網(wǎng)等眾多媒體的關(guān)注。2016年再次刷新單光源數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠涗?/span>，并于2016年11月榮獲歐盟Horizon獎(jiǎng)，表彰突破光纖傳輸容量瓶頸，接受《自然》（<Nature>）雜志采訪。2017年獲丹麥Villum基金會(huì)頒發(fā)的青年學(xué)者獎(jiǎng)。2018年這是他第三次刷新單光源數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠涗洝?/span>
蒲敏皓現(xiàn)任丹麥科技大學(xué)高級(jí)研究員（相當(dāng)于副教授），長(zhǎng)期專注于研究集成光學(xué)，納米光子學(xué)，新型非線性材料，納米制備工藝，非線性光學(xué)以及其應(yīng)用探索，近年來(lái)取得重要突破。他開發(fā)的全新非線性平臺(tái)AlGaAsOI是當(dāng)今最高效的克爾非線性集成芯片平臺(tái)。2015年，他利用此平臺(tái)展示了世界上速度最快的光信號(hào)處理芯片。此工作被評(píng)選了當(dāng)年丹麥?zhǔn)罂蒲谐晒?016年，他又展示了第一個(gè)毫瓦級(jí)別閾值的集成微腔光頻梳，此工作發(fā)表于Optica也被Science編輯同期推薦，被認(rèn)為為開發(fā)全集成頻梳芯片邁出了重要一步，并推動(dòng)很多應(yīng)用革命。他在知名期刊及學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表文章120余篇，為Optica, Laser & Photonics Review,Nanoscale 等多家雜志審稿人。
參考文獻(xiàn)：
H. Hu, F. Da Ros, M. Pu et al. "Single-sourcechip-based frequency comb enabling extreme parallel data transmission,"Nature Photonics (2018).
DOI:10.1038/s41566-018-0205-5
https://www.nature.com/articles/s41566-018-0205-5
