微腔光频梳在超宽带通信中的研究进展与技术突破

本文是Bill Corcoran, Arnan Mitchell, Roberto Morandotti, Leif K. Oxenløwe & David J. Moss等作者于2025年5月7日发表在《Nature Photonics》上的综述文章（https://www.nature.com/articles/s41566-025-01662-9），系统梳理了集成光学克尔微梳在超宽带光通信中的核心技术演进、多维应用场景及前沿挑战，揭示了其从实验室走向商业化的关键路径。

一、光学微梳：集成化光频梳的突破

光学微梳是基于Kerr非线性集成微腔谐振器的光频梳，具备传统台式光频梳的完整功能，但具有更小的集成尺寸。自2007年首次发现以来，微梳在光谱学、微波光子学、频率合成、光学测距、量子光源、计量学和光学神经形态处理等领域取得了突破性进展，尤其在光纤通信中，成为大规模并行超高容量复用数据传输的基础。

微梳的发展历程充满技术突破。早期的微梳存在梳齿间距过宽（数百 GHz 至 THz）的问题，且由于非线性动力学和物理机制尚未明确，梳齿相干性不足。随着对Lugiato-Lefever方程（LLE）的深入研究，微梳逐渐实现相位锁定或锁模，产生了耗散克尔孤子（DKS）、暗孤子、孤子晶体（SC）等多种相干态。例如，DKS的发现开启了时间孤子相干微梳态的新领域，而CMOS兼容平台的发展则推动了微梳的大规模集成与制造。

二、微梳的核心类型与性能特性

1. 耗散克尔孤子（DKS）

DKS是一种峰值功率高于背景泵浦光的“亮脉冲”态，具有抗环境扰动的鲁棒性，在光纤环路中可实现长期稳定性、自启动和自恢复。其关键性能指标为泵浦光到梳齿的转换效率，但受限于LLE方程预测的连续背景光，转换效率仅约4%，导致残余泵浦功率高且单梳齿功率较低。此外，启动DKS所需的泵浦调谐动力学较为复杂，促使研究人员寻求新型微梳以提高梳齿功率和光信噪比（OSNR）。

2. 暗孤子（DP）

暗孤子是一种“负孤子”态，依赖于正常色散（D<0），与DKS所需的反常色散（D>0）相反。其转换效率显著提升至30-40%，主要归因于腔内能量更高，更多能量分布在梳齿中。然而，在单环腔中生成DP克尔微梳需要横向模式间的精细线性耦合，依赖主动反馈稳定输出。耦合环结构的正常色散微梳可生成耗散光子分子孤子，实现热自稳定，无需主动反馈，转换效率达50%，梳齿间距可至50 GHz，光谱平坦且带宽约60 nm（20 dB下），更聚焦于目标光谱，减少能量浪费。

3. 孤子晶体（SC）

孤子晶体是一种多孤子态，提供多脉冲微梳，转换效率可高达75%，且生成稳定、易于操作。其腔内功率与混沌态相近，避免了显著的“孤子阶跃”，实现接近“即插即用”的稳健操作，可通过缓慢调谐泵浦波长生成。SC分为“完美孤子晶体（PSC）”和含结构“缺陷”的孤子晶体，后者梳齿间距匹配谐振器自由光谱范围（FSR），更适用于通信。但SC光谱呈“扇贝形”非平坦分布，部分梳齿功率较低，且需设计色散模式交叉，增加了设计复杂度。

4. 性能综合考量 对于所有类型的微梳而言，高转换效率、稳定性、带宽、梳齿线功率、降低泵浦功率以及自由光谱范围（FSR）都非常重要 。转换效率指的是梳齿线中的梳状功率与泵浦功率的比值，这一点至关重要。在给定泵浦功率的情况下，较低的转换效率会降低每条梳齿线的功率，进而降低光信噪比（OSNR）。高OSNR是在发射端和接收端实现高光谱效率的关键。 另一个常被忽视的问题是，尽管通常来说拥有宽带且平坦的光梳光谱是有益的，但存在一个最佳带宽。非常宽带的光梳，若有相当一部分梳状能量位于感兴趣的波长带之外，会造成能量浪费，因为通常需要对其进行滤波以去除不需要的波长。正如上文所强调的，暗脉冲（DP）状态 以及孤子晶体（SCs）所提供的状态在带宽上比其他微梳更集中，并且还可以进一步进行工程设计，以优化所需的光带宽并减少不需要的信道。这极大地有助于优化系统性能。 总体而言，微梳展现出了高功率效率，当放大到使整个光梳功率达到瓦特级别的情况下，能实现30 - 40 dB的光信噪比 （这对于数据调制和传输来说是非常理想的）。所有这些优势，再加上紧凑性和成本效益，使得在过去十年中，微梳在用于高容量光通信系统方面取得了巨大进展。

三、微梳在光通信中的应用与性能突破

1. 通信系统演进与关键指标

光纤通信网络依赖波分复用（WDM）技术，但传统离散激光源需预留“保护带”以避免频率漂移干扰，降低了频谱效率。光频梳（OFC）通过减少或消除保护带，释放更多光谱用于数据传输，而微梳作为集成化OFC，凭借单芯片生成数百相干波长的能力，成为超高容量WDM系统的理想光源。

关键性能指标包括转换效率、稳定性、带宽、梳齿功率、FSR和OSNR。高OSNR（30-40 dB）是实现高光谱效率的核心，微梳通过优化泵浦功率、色散和梳齿生成方案，已在实验中达到这一水平，部分演示甚至通过滤波将OSNR提升至40-50 dB，接近台式梳水平。

2. 典型通信演示与性能对比

① DKS微梳

利用16-QAM调制格式，单微梳实现34.6 Tb/s数据速率，双微梳复用提升至50.2 Tb/s，光谱效率5.2 b·s⁻¹·Hz⁻¹，梳齿功率>−20 dBm，OSNR达40 dB。

② 暗孤子微梳

采用64-QAM调制，泵浦功率降至数百毫瓦，转换效率超20%，但230 GHz宽梳齿间距限制了C波段内的梳线数量，数据速率4.4 Tb/s，光谱效率1.1 b·s⁻¹·Hz⁻¹。通过参数优化，模拟显示可实现全C波段高OSNR覆盖。

③ 孤子晶体微梳

80梳线、4 THz总带宽、49 GHz间距（接近电信标准50 GHz），单载波双子带调制实现39 Tb/s数据速率和10.1 b·s⁻¹·Hz⁻¹光谱效率，无需主动反馈，转换效率40%，且在墨尔本75km城域网实地光纤链路中验证了实用性。

3. 超大规模容量：空分复用（SDM）与 petabit 级突破

通过空分复用技术，单微梳源的梳齿可分配至多芯光纤的独立纤芯，显著提升总比特率。例如，利用37芯光纤和223波长通道，暗孤子微梳实现1.84 Pb/s数据传输，覆盖C+L波段7.8 THz带宽，单芯速率接近50 Tb/s。尽管功率在多芯间分配导致OSNR降低，微梳仍展现了在超大规模并行通信中的潜力。微梳SDM通信需要在提高每芯光谱效率和通过多芯实现大容量传输（但每芯光谱效率降低）之间找到平衡，也就是在光谱效率和发射机能量效率之间进行权衡。目前基于SDM的微梳已展现出潜力，不仅可作为大规模并行多波长光源，还能支持跨多个SDM模式的大规模并行通信 。

4. 微梳与台式光梳的对比

① 容量与信噪比的关系

研究表明，台式光频梳和微梳都属于相干光梳源，在容量与信噪比的关系上趋势相似。但使用单个光梳源时，每个通道的信噪比会有所损耗。由于容量与信噪比呈对数相关，却和数据通道数量成线性比例，所以对于梳齿线功率高、初始光信噪比也高的光梳，其容量扩展效果与激光源相近。通常台式光频梳的初始光信噪比高于微梳，在容量扩展上稍占优势。

② 滤波对性能差异的影响

在数据调制前对载波进行滤波，能够有效消除发射端功率放大器产生的大部分光噪声，这时离散激光器、台式光频梳和微梳之间的性能差异就会减小。发射端的信噪比主要由发射端的电噪声决定，使得不同类型光梳在这方面的表现更为接近。 ③ 不同传输场景下的限制因素

在长距离传输中，发射信号的信噪比会迅速被传输链路中放大器的噪声主导，使得台式光频梳和微梳的差异进一步缩小。总体而言，光梳（包括台式光频梳和经过载波滤波的微梳）在原理上可以和离散激光系统达到类似的功能。在短距离传输时，光梳性能主要受发射端电信噪比的限制；长距离传输时，则主要受链路放大器的制约。

四、微梳技术新进展

1. 新型孤子微梳

① 激光腔孤子（LCSs）

由嵌套在放大光纤环腔中的微环产生，结构类似小型化光纤锁模激光器。它能产生低线宽、无超模噪声的锁模腔孤子脉冲，具有自启动和自恢复特性，转换效率极高，实验可达95%以上，理论上能达到100%。通过设置放大器增益和调整腔内控制，可使其工作在不同状态。虽然目前LCS系统使用了自由空间和光纤组件，但未来有望实现全集成，带宽也仅受滤波和放大组件限制，在商业应用方面前景广阔。

② 光子分子微梳

基于耦合谐振器“光子分子”结构的微梳，在正常色散和反常色散耦合微谐振器中均有应用。它克服了DP孤子的梳稳定性问题，转换效率较高，最高可达54%。光子分子微梳生成方式确定，有望实现即插即用，具备低噪声和相干性，适合用于通信。不过，这种微梳在泵浦功率较低时效率最高，且启动孤子态所需功率高于维持运行的功率，在系统设计时需要考虑这些因素。

2. 集成技术进展

在将所有微梳组件集成到单个芯片方面已取得显著进展，例如将半导体光放大器集成，形成带有一个或多个微谐振器的可调谐外腔泵浦激光器。通过调谐片上微加热器，可启动和稳定DKS状态，且泵浦功率需求低。有的研究将激光器直接耦合到微腔，利用注入锁定实现自启动、即插即用操作。但目前这些集成方法产生的梳齿线功率较低，用于通信时需要放大，从而降低了OSNR。不过，新兴的全光稳定和调谐微梳技术有望减少或消除外部电子设备及其他反馈控制方法，带来新的突破。

五、挑战与未来展望

1. 当前挑战

① 梳齿功率与OSNR

尽管转换效率有所提升，部分微梳（如DKS）的单梳齿功率仍较低（<−30 dBm），需放大处理，可能引入噪声。通过窄带滤波（如微环滤波器）可提升OSNR，但需平衡带宽与功率。

② 集成与稳定性

全集成微梳系统（包括泵浦激光器、调制器和放大器）尚未成熟，现有方案多依赖外部组件。环境扰动（如温度、机械振动）对微梳稳定性的影响仍需进一步优化，尽管LCS和SC已展现一定抗干扰能力。

③ 实际应用适配

WDM系统中的解复用技术需兼容高功率光学组件，集成平台（如硅基光波导）的功率处理能力有限，需采用氮化硅等材料。此外，单光源失效风险需通过光子集成冗余设计解决。

2. 未来方向

①短距通信

数据中心互连（DCI）、板间/芯片间通信对尺寸、功耗和成本敏感，微梳的集成优势显著。例如，CMOS兼容微梳已实现片上多波长振荡，未来有望替代激光阵列。

② 长距与空间通信

在长距离光纤传输（如海底光缆）和自由空间通信（如卫星-地球链路）中，微梳的低SWaP（尺寸、重量、功率）特性至关重要。NASA已探索微梳在月球任务中的应用，实验显示其在大气湍流环境下可实现1 Tb/s级传输。

③ 新型微梳与架构创新

激光腔孤子（LCS）和光子分子微梳等新兴类型有望进一步提升效率和稳定性。结合数字信号处理（如联合检测、相位相关编码），可降低对高OSNR的依赖，优化频谱利用。

六、结论

光学微梳凭借集成化、高相干性和宽光谱特性，已成为超高带宽光通信的核心技术，在短短十年内实现了从实验室到实地演示的跨越。尽管面临功率、集成和稳定性挑战，其在成本、尺寸和并行性上的优势使其在数据中心、长距传输和空间通信等领域具有不可替代的潜力。随着全集成收发器的发展和新型微梳态的涌现，以及Enlightra、Xscape Photonics等初创企业的产品落地，微梳有望推动光通信进入“单芯片 petabit 时代”，成为下一代通信网络的基石。