单芯片标准光纤超高密度光数据传输

微梳-由集成微腔谐振器产生的光学频率梳-提供了大块梳子的全部潜力，但占地面积小。它们在光谱学、微波光子学、频率合成、光学测距、量子源、计量和超大容量数据传输等多个领域取得了突破。在这里，通过使用一种名为孤子晶体的功能强大的微梳，我们使用单个集成的芯片源在75 km的标准光纤上实现了超高速数据传输。我们使用电信C波段1550QAM1的线速为44.2Tabits−1，频谱效率为10.4bits s 1 Hz−1。孤子晶体表现出稳健和稳定的产生和工作以及高的本征效率，再加上极低的孤子微梳间距48.9QAMGHZ，使得可以使用非常高的相干数据调制格式(64QAM-正交幅度调制)。这项工作展示了光学微梳在要求苛刻和实用的光通信网络中的性能。

目前，全球光纤网络每秒传输数百太比特，容量以每年~25%的速度增长1。为了显著提高带宽容量，超大容量传输链路采用相干调制格式2、3的大规模并行波分复用(WDM)，并且在最近的实验室研究中，通过在多核或多模光纤4上使用空分复用(SDM)。同时，越来越多的更短的大容量链路出现了强烈的趋势。10年前，核心长途通信(跨越1000公里)在全球网络中占据主导地位，而现在，重点已完全转移到城域网(连接跨越10公里至100公里)，甚至数据中心(<； 10 km)。所有这些都推动了对越来越紧凑、低成本和高能效解决方案的需求，光子集成电路成为最可行的方法。光源是每个环节的中心，因此，可能对集成的需求最大。用单个紧凑的集成芯片提供所有波长的能力，取代许多并行激光器，将提供最大的好处5，6。

微梳是基于微腔谐振器的光学频率梳，在履行这一角色7、8、9、10方面表现出了巨大的潜力。它们提供了大块梳子11、12的全部潜力，但占地面积更小。作为锁模微梳的一种手段，时间孤子态(DKS耗散克尔孤子)10、13、14、15、16、17的发现已经使许多领域取得了突破，包括光谱学18、19、微波光子学20、频率合成21、光学测距22、23、量子源24、25、计量学26、27等等。它们最有前途的应用之一是光纤通信，在光纤通信中，它们实现了大规模并行的超大容量多路复用数据传输28、29、30。

微型梳子的成功得益于对其梳线进行锁相或锁模的能力。这又是由于探索了新的振荡状态，例如时间孤子状态，包括反馈稳定的克尔梳子29、暗孤子30和DKS 28。具体而言，DKS状态通过使用全C和L电信频带28组合两个设备，实现了单个设备的30 Tb/s和55 Tb/s的传输速率。特别是，对于实际系统而言，实现高频谱效率是至关重要的--这是一个关键参数，因为它决定了给定光通信带宽2、3的数据承载容量的基本极限。

最近17、11报道了一类被称为孤子晶体的强大的微梳，并且在CMOS(互补金属氧化物半导体)兼容平台2、3、8、9、31中实现的器件已被证明在形成微波和RF光子器件32、33的基础方面非常成功。孤子晶体之所以被这样命名，是因为它们在微环谐振器(MRR)17内紧密堆积的自定域脉冲的角域中具有类似晶体的轮廓。它们自然地在具有适当模式交叉的微腔中形成，而不需要复杂的动态泵浦和稳定方案来产生自定域DKS波(由Lugiato-Lefever方程34描述)。它们稳定性的关键在于它们的腔内功率与时空混沌态17、35非常接近。因此，当从混沌状态中出现时，腔内功率几乎没有变化，因此没有热失谐或不稳定，这是由使共振泵浦更具挑战性的“孤子阶跃”造成的36。正是这种内在稳定性(不需要外部援助)、易发电和整体效率的结合，使它们成为

为了产生孤子晶体，激光器从共振的红边慢慢调谐到预先设定的波长。A初级梳子(图灵图案)最初是在激光器调谐到与环共振时产生的。用于实验的孤子晶体振荡态的B谱。该状态具有特征的“扇形”微梳光谱，对应于环上所示的单个时间缺陷晶体状态。在预先设定的波长下，形成孤子晶体，其光谱特征基于初级梳状线。我们使用的状态在大多数光通信C波段上提供梳状线。c 10个独立晶体生成实例的孤子晶体梳线功率差(不同的符号表示不同的生成实例)。梳状线功率保持在初始谱的 ± 0.9 dB以内，表明可以可靠地产生所需的孤子晶态。

从生成的微梳中，在电信C波段(32 nm宽，从1536到1567 nm的3.95 太赫兹窗口)上选择80条线，然后用光谱整形器(WaveShaper 4000 S-See方法)使其变平。接下来，通过使用单边带调制方案来生成奇/偶解相关测试信道(见方法)，有效地将波长数量翻倍至160千兆赫(相当于24.5GHZ的梳状间距)，以优化频谱效率(频谱有用的内容)(参见方法)。然后，我们组合了6个通道的测试频带，其余的频带提供具有相同奇偶通道结构的加载通道。我们使用64QAM的高阶格式，以23千兆位的符号速率调制整个梳子，从而利用了94%的可用频谱。

我们进行了两个传输实验，在实验室中通过75 km的单模光纤发送数据，并在已安装的城域单模光纤网络(请参阅补充说明1)上进行现场测试，该网络连接了皇家理工学院墨尔本城市校区和莫纳什大学克莱顿校区，横跨墨尔本大都会地区。图3a-c给出了关键点处梳子的频谱。在接收器，使用普通的脱机数字信号处理(DSP)流恢复信号(见方法)。图3d显示了194.34 太赫兹信号的星座图。在背靠背配置中(即发送器直接连接到接收器)，我们测量的信号质量(Q2，来自误差向量幅度)接近18.5 dB，当通过测试链路传输完全调制的梳子时，信号质量下降到接近17.5 dB。

孤子晶体频率梳在平坦化a、调制和通过75 km缠绕的实验室光纤b或通过现场试验链路c传输后的a-c谱。谱a是在12.5千兆赫分辨率下测量的，以分辨单独的梳状线，而b和c是在50 GHz分辨率下绘制的，以说明平均信道功率。该谱a是在12.5千兆赫分辨率下测量的，以解析单个梳状线，而b和c是在50 GHz分辨率下绘制的，以说明平均信道功率。平坦化使梳状线功率均衡到1 dB以内。经过调制放大后，利用掺铒光纤放大器的增益谱对信道进行整形。b中的插图描绘了用150兆赫兹分辨率光谱分析仪(Finisar WaveAnalyzer)捕获的测试信道频谱，突出显示了调制到测试频带中的每个梳状线上的奇数和偶子频带。X和Y极化通道在193.4 太赫兹(1550.1 nm)处的梳状线的三维星座图。“背靠背”表示直接连接到接收器的发射机，“75 km实验室内光纤”表示通过实验室内75 km的缠绕光纤传输后的接收(根据b)，而“76.6 km现场光纤”表示通过现场试验链路传输之后的接收(根据c)。与星座相关的BER和Q2都记录在每个星座上。

图4a显示了使用每个信道的误比特率(BER)作为度量的传输性能。调查了三种情况：(I)发射器级与接收器之间的直接连接(背靠背，B2B)，并在通过(Ii)实验室内光纤和(Iii)通过现场试验网络进行传输后直接连接。正如预期的那样，全局传输降低了所有信道的性能。作为性能基准，图4a表示根据所演示的代码37在误码率为4 × 10−2时给出的20%SD-FEC(软判决前向纠错)阈值。所有结果都低于给定的FEC限值，但由于使用基于误码率的SD-FEC阈值对于高阶调制格式和高误码率38的精度较低，我们另外使用了广义互信息(GMI)来计算系统性能。图4b绘制了每个通道及其相关SE的GMI，给出的线条用于指示计划管理费用。我们获得了44.2 TB/s的原始比特率(线速)，这转换为40.1 TB/s(在B2B中)的可实现编码速率，在实验室和现场试验传输实验中分别降至39.2 Tb/s和39.0 Tb/s。

虽然我们的实验仅限于C波段，但孤子晶体梳(图2b)的带宽超过80 nm。S和L波段(1500-1535 nm和1565-1605  nm)中的梳状线原则上可以通过改变泵浦波长和功率、定制色散和/或通过其他方法来增加功率，以使得能够跨所有三个频带进行传输。假设梳状质量相似，这将导致单个集成设备的总数据速率提高三倍，达到120 TB/s。

具有较低FSR的微梳将支持更高的频谱效率，因为信号质量在较低的符号速率下改善。然而，这可能是以较窄的整体梳状带宽为代价的。在我们的演示中，单边带调制实现了将两个通道复用到单个光源上，有效地将梳子间距减半，同时改善了受收发器噪声限制的背靠背性能。由于孤子晶体梳子的稳定性，这种方法是可行的。另一方面，电光调制也可以用来细分微型梳子的重复频率，这将使梳子带宽更宽。虽然这将需要将梳子间距锁定到外部RF源，但是已经报告了梳子间距的亚兆赫稳定40、41。此外，通过激光腔-孤子微梳42提高梳子产生效率可以提供进一步改善信号质量和系统容量的有力途径。最后，对于新部署的链路，我们的方法可以很容易地与使用多核光纤4、43的空分复用相结合，这将导致来自单个源的许多PB/s的数据速率。

综上所述，我们报道了利用孤子晶体微梳从单个集成芯片源实现高性能的超高带宽光传输。这一成就是低梳子间距与稳定、高效和宽带的孤子晶体梳子相结合的结果，所有这些都得益于其CMOS兼容的集成平台。孤子晶体微梳本质上是相干的、低噪声的，并且可以使用标准的开环控制和现成的设备进行初始化和维护。这项工作展示了它们在实际和要求苛刻的环境中支持超高带宽数据传输的能力。

用于梳状产生的磁阻比采用与CMOS兼容的工艺10、30、31和掺杂石英玻璃波导制成，具有低线损耗(~0.06 dB cm−1)、适中的非线性参数(~233 。

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