第一作者：胡浩、Francesco Da Ros、蒲敏皓

通讯作者：胡浩

通讯单位：丹麦科技大学（DTU）

研究亮点：

1. 展示了一种基于非谐振腔的芯片光频梳，不仅性能更加稳定，而且光频梳的产生效率大幅提高到66%。

2. 实现了基于芯片的单光源大容量光通信系统，传输数据容量甚至超出当今全球互联网（Internet）的数据总流量。

当今互联网每秒钟传输着几百万亿（~10¹⁴）比特的数据，消耗世界总电量的9%，而且还在以每年20-30%的速度持续增长。尽管世界范围内已经铺设了大量基于普通单模单芯光纤以及波分复用（WDM）技术的光纤通信系统，受限于光纤非线性等因素，当前的光传输容量已经接近瓶颈。

为了进一步提高传输容量，多维度的复用技术（如波分、空分复用等）开始被采用。多维度复用技术需要使用大量不同波长的高品质激光器作为光源，然而激光器数量的增加将引起系统能耗随之增加，限制了光通信系统容量的进一步提升。

有鉴于此，丹麦科技大学（DTU）胡浩，Francesco Da Ros以及蒲敏皓等人组成的科研团队基于获得诺贝尔奖的光频梳技术实现了单光源661 Tbit/s的大容量数据传输，同时突破了传输容量以及系统能耗两大瓶颈。

据悉，2014年，胡浩团队创造世界最快单激光器数据传输的记录（43 Tbit/s），2016年再次刷新单光源数据传输的记录，这次是他第三次刷新单光源数据传输的记录。

图1. 基于AlGaAsOI光子芯片的光频梳

该工作是利用非线性效应在光芯片中通过单光源泵浦产生光频梳作为波分复用系统的多波长光源，结合特殊设计的低串扰单模多芯光纤实现的，为未来进一步集成打下了基础。这项科研成果所实现的数据传输流量约是目前全球互联网数据总流量的2倍。

由于应用领域广泛，近年来基于芯片的光频梳产生在世界范围内引起了极大的科研兴趣。通常产生光频梳的方法是利用直流光作泵浦，注入到一个谐振腔中，利用克尔非线性产生光频梳。

然而，这种方法目前主要存在的问题在于：需要在非线性和热效应之间取得平衡，一旦失去这个平衡，频率梳也就不复存在了，所以通常需要额外增加反馈机制来实现长期稳定性。此外，这个方法产生光频梳的效率较低：明孤子光频梳的产生效率通常不到1%，暗孤子光频梳的产生效率虽然可以提高到约20%，但受限于色散的影响，产生频率梳的带宽有限。

另外一个产生宽带光频梳的方法是利用脉冲光泵浦，注入到一个非谐振腔的光波导中，利用自相位调制实现频率梳展宽。这个方法的主要技术难点在于：由于没有谐振腔的帮助，泵浦光不能被有效地重复利用，很难在现有的非线性材料平台中实现频率梳展宽。

而DTU的研究人员利用III-V族半导体材料铝镓砷（AlGaAs）开发的AlGaAs-on-insulator (AlGaAsOI)纳米光波导平台，一方面结合了超高的材料非线性系数与超强光场束缚带来的等效非线性增强（如图1b所示），另一方面又实现了低损耗，并通过调节带隙避免了双光子吸收，从而打造出了一个理想的超高效、低损的非线性集成纳米波导平台。

如图2所示，在5毫米长的AlGaAsOI纳米光波导中，在泵浦功率仅为85毫瓦的情况下，实现了约7倍的光谱展宽。通过这种方法产生光频梳的效率约为66%，远高于基于谐振腔的光频梳产生。

图2. 在AlGaAsOI纳米光波导中基于自相位调制的光频梳展宽

由于很高的光频梳产生效率，即使不需要太高的泵浦功率，输出的光频梳在经过放大后也有足够高的光信噪比，可用于承载大容量的数据信息。为突破光数据传输容量的瓶颈，在本研究工作中使用了全部6个物理维度（频率，幅度，相位，时间，偏振，空间），尽可能多地加载数据信息。其中，特殊设计的单模30芯光纤具有4种类型的光纤芯，通过优化的排列实现了相邻光纤芯的折射率不同，从而降低不同光纤芯之间的串扰。

图3. 基于光频梳的每秒数百太（10¹⁴）比特超大容量光传输系统的示意图

在本研究工作中，每个光纤芯中传输了80个波分复用并行信道，30芯光纤的总信道数量达到了2400并行信道。在数据传输后对这2400个并行信道分别进行了误码率测量，以保证最终的无误码（误码率小于10^-15）数据传输。

图4. 基于AlGaAsOI芯片产生的光频梳，进行了661 Tbit/s光数据传输系统实验以及传输后的误码率测量

总之，这种基于非谐振腔的片上光频梳为稳定、高效率的产生光频梳提供了一个新方法。此外，展示出的基于芯片的单光源大容量光数据传输系统，为未来大容量、低能耗光通信系统提供了新的方向。

作者简介： 

胡浩现任丹麦科技大学高级研究员（相当于副教授），从事光纤通信以及纳米光学方面的研究工作，在知名期刊及学术会议上发表文章200余篇。2012年曾获丹麦科技部颁发的Sapere Aude-Young Research Talent 奖，2013年在美国贝尔实验室任访问研究员，2014年创造世界最快单激光器数据传输的记录（43 Tbit/s），并被engineerjobs.com推选为2014年世界20大科技进展（名列第7位），引起包括BBC、新浪、人民网等众多媒体的关注。2016年再次刷新单光源数据传输的记录，并于2016年11月荣获欧盟Horizon奖，表彰突破光纤传输容量瓶颈，接受《自然》（<Nature>）杂志采访。2017年获丹麦Villum基金会颁发的青年学者奖。2018年这是他第三次刷新单光源数据传输的记录。

蒲敏皓现任丹麦科技大学高级研究员（相当于副教授），长期专注于研究集成光学，纳米光子学，新型非线性材料，纳米制备工艺，非线性光学以及其应用探索，近年来取得重要突破。他开发的全新非线性平台AlGaAsOI是当今最高效的克尔非线性集成芯片平台。2015年，他利用此平台展示了世界上速度最快的光信号处理芯片。此工作被评选了当年丹麦十大科研成果。2016年，他又展示了第一个毫瓦级别阈值的集成微腔光频梳，此工作发表于Optica也被Science编辑同期推荐，被认为为开发全集成频梳芯片迈出了重要一步，并推动很多应用革命。他在知名期刊及学术会议上发表文章120余篇，为Optica, Laser & Photonics Review,Nanoscale 等多家杂志审稿人。

参考文献：

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