科学家开发平坦片上多波长光源，用于大容量光互连和高维光计算

新加坡南洋理工大学与英国牛津大学、香港城市大学等团队合作，以光学微腔芯片为基础，开发出具有平坦光谱输出的片上多波长光源系统。

该系统的光谱范围覆盖区间为 1470-1670nm，重复频率约为 190GHz，平坦度约为 2.2dBm（标准差）。

该多波长光源的光谱输出为近似梯形，其平坦范围占据整个光谱范围的 70%，覆盖 S+C+L+U 波段。该研究进展具有重要实用价值，能够为大容量光互连和多维、高维光计算系统提供优质的光源。

该系统可引入波分复用的光信息处理系统中，助力并行光信息处理信噪比的提高和误码率的降低，在超高速空间通信等领域具有广阔的应用前景。

图丨相关论文（来源：Opto-Electronic Science）

近日，相关研究成果以封面论文形式发表在 Opto-Electronic Science 上，论文题目为《平坦光谱的微腔孤子光频梳》（Flat soliton microcomb source）[1]。

该研究项目负责人、新加坡南洋理工大学谢鹏研究员表示：“实际上我们做的不仅仅是基础科学研究，更是瞄准未来工程应用的实际性能需求及所面临的技术难点与痛点。

从器件和系统双层面下功夫，保障平坦光谱的稳定输出，同时确保系统能够在较长时间下稳定工作，从而提高该多波长光源在并行光信息处理中的实用性。”

图丨谢鹏（来源：谢鹏）‍‍

目前，光子芯片可促进摩尔定律的延续，已成为学术界和工业界的共识。随着人工智能在多领域的商业应用（ChatGPT 等），对算力的需求呈爆发性增长趋势，迫切需要开发新的计算体系。

与传统电子计算相比，基于光芯片的光子计算，理论上可为系统计算速度带来 3 个数量级提升，功耗有 2 个数量级降低，信息处理容量具有更高的吞吐量。

这些优势将极大地拓展算力边界，助力解决电子芯片的速率瓶颈和功耗问题，有望在智能计算和高速光通信领域带来颠覆性突破。

此前，谢鹏创新性地提出了“芯片化高维光学神经网络系统”的技术思路，并对高维光计算架构进行了前瞻性的探索。

2022 年，相关研究成果以封面论文形式发表在Nano-Micro Letters上[2]（DeepTech 报道：牛津大学中国学者研发高维光学神经网络系统，有望拓展光子计算的算力边界）。

（来源：Nano-Micro Letters）

不可忽视的是，在波长维度去拓展光信息并行处理，首要是寻找一种稳定且优质的多波长光源，因而，微腔孤子光频梳备受高度关注。

而通常情况下，微腔光频梳的不同梳齿的功率具有较大差异，直接应用于波分复用的光信息处理系统，信噪比和误码率等指标都不容乐观。

所以，如何产生平坦光谱输出的微腔光梳成为领域内的追求目标。谢鹏研究员所牵头的创新团队，正是瞄准此技术问题，开发了宽谱、平坦的多波长光源系统。

图丨平坦片上多波长光源实现方案（来源：Opto-Electronic Science）

从器件层面来看，该课题组从工程应用角度出发，研制了具有平坦、宽谱、近零色散的光学微腔芯片。对输入/输出光波导进行了特殊设计，实现更好的模式匹配。

并且，以边缘耦合的方式，对微腔芯片进行了高效、低损耗封装，为片上多波长光源系统提供了关键的核心光芯片。

从系统应用层面角度，研究人员通过双泵浦方案克服了微腔中强热光效应，实现宽带的平坦光谱输出。

此外，通过自研的自适应-反馈控制系统，能够确保该片上多波长孤子源系统稳定工作 8 小时及更长时间，进而发展成为可“一键启动”的工程设备。

（来源：Opto-Electronic Science）

目前，该课题组正基于该平坦多波长光源，开展大容量光学互联系统的研发和高维并行光计算系统的论证。多家用户单位主动与研究人员构建合作，相关技术正为相关用户单位提供关键技术支撑。

据了解，谢鹏博士已获得国内多家高校及科研单位的工作邀请，拟于 2024 年夏天全职归国，并组建独立科学研究团队，继续从事集成光芯片及应用技术研究。

其课题组将围绕微纳光学、集成光学、非线性光学和光学工程，以光芯片为切入点，发展片上/片间光子网络技术、多维/高维光计算技术、大容量信息光互连技术等。致力于促进光计算与光通信的融合，推动新型智能信息处理技术的发展，赋能人工智能所需算力。