微腔光梳技术有望千倍提高通信带宽

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运行亿年不差一秒的原子钟能不能更小更节能？高算力芯片能不能更快更稳定却只花1%的成本？光纤入户的千兆网络还能不能再快百倍甚至千倍？在日前召开的香山科学会议第7次青年系列学术会议上，年轻的物理学者们的回答是：可以，一种先进光源如果能够落地应用，将给很多领域带来革命性的改变。他们带来的研究成果正在让这些变成现实。
科研“后浪们”在新领域创造多个首次
几年前还是近1吨重的光钟装置，如今它的核心部分“光梳”在小小的芯片上就能实现了。北京大学物理学院研究员杨起帆表示，将光梳的体积缩小，不仅大大提高原子钟的便携性，还可以使其更快应用于高速光通信、精密测量等复杂的实际场景中。杨起帆介绍说，基于集成光梳这一核心技术制造的光谱仪，在灵敏度、分辨率、采样速度等方面远超其他微型光谱仪。
自从发现利用半导体纳米微加工技术，可以让此前精密、昂贵、硕大的超短脉冲激光在微腔内也能实现之后，国际上很多团队在寻找适宜的集成材料和加工工艺。“氮化硅已成为最成熟的芯片光频梳平台。”深圳国际量子研究院研究员刘骏秋是这一领域的开拓者和推动者，他表示，团队与合作伙伴正在推进超低损耗氮化硅集成光学技术从“实验室演示”到“工业级大规模量产”的转化，并在国内首次建立超低损耗、大尺寸晶圆、厚氮化硅光芯片的生产工艺。
“我们研制的光模块可以达到每秒传输200万兆字节的速率，是当前光纤千兆网络的数千倍。”北京大学电子学院研究员常林表示，硅光技术在过去的十年里经历了迅猛的发展。近年来，通过多种集成工艺将不同材料集成到硅基衬底上的技术，正在满足不同应用的需求。团队过去几年实现了多材料在硅基衬底上的集成，全新的技术和工艺突破将衍生出算力密度更高的光神经网络芯片，完全抗外界干扰的并行混沌激光雷达等。
科技日报记者了解到，参加此次香山科学会议的多名学者近年来持续在集成光梳领域深入研究、在细分领域引领前沿方向、在科研新“蓝海”中取得多项重大突破。
全新领域带来无限应用可能
那么，究竟是什么样的全新研究有望为很多关键领域带来革命性的变化呢？
“这种先进光源由于能发射像梳子一样固定间隔频率的光子，被形象地称为‘光梳’。但之前的实现方式费时费力费钱，依赖激光器、电光调制器等设备，体积大、效果差。”清华大学电子工程系副教授薛晓晓对科技日报记者表示，全新技术能够摆脱对重型设备的依赖，在光子芯片中实现。“在信息传输方面，微腔光梳的应用有望实现芯片级高速光通信系统。”薛晓晓解释，“微腔光梳由成百上千频率等间隔的梳齿组成，每个梳齿都是一束窄线宽激光，可以单独编码传输信息，因此可以成百上千倍地提高通信带宽。”
计算机越变越小，是由于基本元件从电子管到晶体管、集成电路……光梳能够缩成芯片大小，是由于发光源头缩小到纳米级别的微腔内部，这样的变化让更多的应用成为可能。
“微腔光梳的应用使得光钟可以越来越小，甚至可以成为卫星上的载荷。”中国科学技术大学教授董春华说，星载光钟的出现将可以更方便地将全球的光钟进行组网，构建全球光钟网络，实现高度一致的时间参考系统，还可以对比不同位置光钟时间的差异，验证广义相对论等基础理论。
“微腔光梳的重大应用领域还包括精密光谱探测、激光雷达测距等很多领域。”会议执行主席、北京大学物理学院教授肖云峰表示，微腔光梳研究正在走出基础研究阶段走向更广泛的应用阶段，目前我们的研究团队需要共同探讨和归纳关键科学、技术问题，针对不同的重大应用制定对应的技术路线，通过分解问题、模块化解决问题，推动其在相关领域的落地应用。