[论文解读] Coherent data transmission with microresonator Kerr frequency combs

Joerg Pfeifle, M. Lauermann+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2013

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 40被引用 4

一句话总结

该论文展示了基于微腔Kerr频梳的相干光通信，利用片上非线性光子学技术生成稳定、宽带的频梳，实现高光谱效率传输。系统在100公里距离上实现了1.5 Tbit/s的无误码传输，光谱效率达10.4 bit/s/Hz，标志着集成光子通信的重要进展。

ABSTRACT

Joerg Pfeifle, Matthias Lauermann, Daniel Wegner, Victor Brasch, Tobias Herr, Klaus Hartinger, Jingshi Li, David Hillerkuss, 4 Rene Schmogrow, Ronald Holzwarth, 5 Wolfgang Freude, 6 Juerg Leuthold, 6, 4 T. J. Kippenberg, and Christian Koos 6, ∗ Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ), Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 76131, Karlsruhe, Germany Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), 1015, Lausanne, Switzerland Menlo Systems GmbH, 82152 Martinsried, Germany now with ETH Zurich, 8092 Zurich, Switzerland Max-Planck-Institut fur Quantenoptik, 85746 Garching, Germany Institute of Microstructure Technology (IMT), Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 76131, Karlsruhe, Germany

研究动机与目标

• 利用片上微腔Kerr频梳实现高容量、光谱高效的光通信。
• 解决在集成光子系统中生成稳定、宽带且相位相干的频梳的挑战，以适用于相干传输。
• 展示利用频梳线作为多个数据信道载波，在长距离光纤链路中实现无误码传输。
• 通过单一集成微腔光源而非多个激光器，实现高光谱效率与高数据速率。

提出的方法

• 使用钛宝石激光器泵浦高品质因子的氮化硅微腔，通过四波混频和自相位调制效应生成Kerr频梳。
• 采用双频梳技术精确表征频梳的光谱与相位特性，确保所有频梳线之间的相位相干性。
• 采用数字相干接收机结合实时数字信号处理，独立恢复每个频梳线上的数据。
• 应用先进的载波相位估计算法与均衡算法，以抑制相位噪声与光纤损伤。
• 采用波分复用（WDM）架构，使每个频梳线作为独立的数据承载信道。
• 将微腔光源与紧凑的片上平台集成，实现可扩展性与低功耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个片上微腔Kerr频梳能否作为多波长、相位相干的光源，用于相干光通信？
• RQ2 在长距离传输系统中，使用微腔频梳时可实现的最大光谱效率与数据速率是多少？
• RQ3 频梳的相位稳定性和光谱平坦性如何影响无误码传输性能？
• RQ4 数字信号处理在多梳传输中能多大程度上缓解相位噪声与光纤非线性效应？
• RQ5 系统在仅使用一个泵浦激光器的情况下，能否在大带宽范围内保持高性能？

主要发现

• 该系统利用单一微腔基频梳，在100公里标准单模光纤上实现了1.5 Tbit/s的无误码传输。
• 实现了10.4 bit/s/Hz的光谱效率，证明了光谱高效、高容量光互联的潜力。
• 微腔频梳提供了相位相干、宽带输出，在超过100 GHz带宽范围内具有平坦的光谱包络。
• 数字信号处理成功补偿了相位噪声与光纤非线性效应，确保所有频梳线的稳健传输。
• 系统在误码率低于前向纠错极限3.8×10⁻³的条件下保持无误码性能。
• 频梳光源在紧凑、片上平台上的集成实现了可扩展性与低功耗运行，适用于未来光子集成电路。