面向Tb/s级光通信的集成多波长相干光源：基于克尔微腔梳与零静态功耗解复用器的突破性进展

本研究针对数据中心和AI系统对超高速光链路的迫切需求，创新性地将高效率克尔微腔光频梳（Kerr microcomb）与单片集成解复用器（DeMux）结合，开发出具有自主锁定跟踪功能的波长分束系统。通过采用零静态功耗的电容式光学相位调制器（SISCAP），在200 GHz模式间距下实现53%转换效率的同时，解复用器能耗低至10 fJ/b（8通道）和2.5 fJ/b（32通道），较传统热调谐系统能效提升超一个数量级，为Tb/s级光互连提供了关键器件解决方案。

　　

在数据中心爆炸式增长和人工智能计算需求激增的背景下，光通信网络正面临前所未有的带宽压力。传统波分复用（Wavelength Division Multiplexing, WDM）系统虽然通过多波长并行传输提升了容量，但受限于分立器件的体积、功耗和稳定性问题，难以满足Tb/s级传输的能效要求。特别是作为核心器件的多波长光源和解复用器，长期存在转换效率低、热调谐功耗大、通道串扰严重等技术瓶颈，成为制约超高速光互连发展的关键因素。

宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）的研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，提出了一种革命性的集成解决方案。通过将高效率克尔微腔光频梳与单片集成解复用器有机结合，研究人员成功开发出具有自主波长锁定功能的低功耗多端口光源系统。该系统采用两种创新架构——基于微环谐振器和马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer, MZI）的解复用器，均采用零静态功耗的半导体-绝缘体-半导体电容（SISCAP）相位调制技术，实现了前所未有的能效突破。

研究主要采用了三项关键技术：1）基于Ta₂O₅（五氧化二钽）平台的光子晶体环形谐振器（PhCR），通过内壁光栅设计实现正常色散区的孤子形成；2）全局铸造厂90nm CMOS-SOI工艺单片集成的电容式相位调制器，利用薄栅氧化层实现零静态功耗调谐；3）传感-驱动-存储（SAM）单元构成的闭环控制系统，实现解复用器与梳状谱线的自动对齐跟踪。

高效率克尔微腔梳生成
通过设计具有内壁光栅结构的微环谐振器，在正常色散区实现了转换效率达53%的孤子微梳生成。如图1f所示，该系统在200 GHz模式间距下，通过反射器结构将残余泵浦功率抑制至-20 dB以下，显著提升了单梳线功率。实验测得单个微环谐振器的品质因子达2.6×10⁶，为高稳定性梳状谱提供了基础。

电容式相位调谐技术
创新的SISCAP相位调制器（结构见图2a）通过多晶硅-氧化硅-硅电容结构实现折射率调控，在5V偏压下可获得130 pm/V（微环）和160 pm/V（MZI）的调谐效率。模拟显示该结构在保持低传播损耗（<1 dB/cm）的同时，实现了零静态功耗运行，解决了传统热调谐系统的能耗瓶颈。

微环解复用器性能
8级级联绝热微环构成的解复用器（图3d）展现出7 dB插入损耗和>15 dB通道隔离度。通过5位数字控制（调谐分辨率2%）和顺序锁定算法（图3f），系统总功耗仅2.4 mW，对应10 fJ/b的能效指标。值得注意的是，微环间微小的周长差异（δL）设计使其共振频率自动对齐梳线网格，大幅降低了控制复杂度。

MZI树型解复用架构
采用三级MZI构成的二进制树结构（图4c）虽然面积较大（0.19×0.03 mm²/MZI），但实现了更优的4.5 dB插入损耗和11 dB串扰抑制。独特的"峰值搜索-梳获取-跟踪"三阶段算法（图5）解决了多频梳输入下MZI工作点判定的难题，使系统能适应非均匀功率分布的梳状谱。

这项研究的意义不仅在于创造了能效记录，更开辟了大规模WDM系统单片集成的新路径。相比需要3D堆叠的混合集成方案，该技术通过标准CMOS工艺实现了光电深度融合，显著降低了封装复杂性和寄生效应。特别是电容调谐技术的应用，使系统能耗随通道数增加呈亚线性增长——当扩展至32通道1 Tb/s系统时，能效可进一步提升至2.5 fJ/b。这一突破为下一代数据中心光互连、5G前传网络和AI计算集群提供了关键器件支撑，有望推动光通信技术进入"能效比"优先的新发展阶段。

研究团队在讨论中指出，未来通过优化电容调制器掺杂浓度和波导结构，可进一步提高微环品质因子和调谐范围。而将MZI与微环结合的混合架构，则为实现32/64通道大规模解复用系统提供了可行方案。这些进展将加速Tb/s级光链路的实用化进程，最终实现《Nature Communications》论文中预言的"超低功耗、超高密度光互连"愿景。