香港城市大學(xué)電機(jī)工程學(xué)系副教授王騁團(tuán)隊(duì)，與香港中文大學(xué)研究人員合作，利用鈮酸鋰為平臺(tái)，開發(fā)出處理速度更快、能耗更低的微波光子芯片，可運(yùn)用光學(xué)進(jìn)行超快模擬電子信號(hào)處理及運(yùn)算。相關(guān)成果以《集成鈮酸鋰微波光子處理引擎》為題，發(fā)表在2月29日出版的《自然》上。

集成微波光子芯片使用光學(xué)元件以產(chǎn)生、傳輸和調(diào)控微波信號(hào)，主要應(yīng)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)與云端服務(wù)因?yàn)榭焖贁U(kuò)展而對(duì)底層射頻系統(tǒng)產(chǎn)生的巨大需求。但一直以來，集成微波光子系統(tǒng)一直難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)芯片集成和高保真度、低功耗的超高速模擬信號(hào)處理。

更快，更精確，更低能耗

王騁團(tuán)隊(duì)研發(fā)的集成鈮酸鋰微波光子芯片不僅速度比傳統(tǒng)電子處理器快1000倍，具有67吉赫茲的超寬處理帶寬和極高的計(jì)算精確度，同時(shí)它的能耗卻更低。王騁打了個(gè)比方，以處理一個(gè)250×250像素的圖片為例，集成鈮酸鋰微波光子芯片僅需要3納焦的能耗就能完成對(duì)圖片邊緣信息的提取，而傳統(tǒng)的電子芯片若要執(zhí)行相同的任務(wù)，則需要幾百甚至上千納焦的能耗。

“低能耗對(duì)于人工智能領(lǐng)域有著重大意義。如今，越來越多的人工智能產(chǎn)品問世，產(chǎn)品更新迭代速度加快，人工智能模型所具備的規(guī)模以及復(fù)雜度也會(huì)越來越高。隨之而來的是能量消耗問題越來越凸顯，因?yàn)樗�不僅會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品成本提升，而且還會(huì)帶來無法忽視的環(huán)境問題。”王騁在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說。

為了解決這些難題，王騁團(tuán)隊(duì)將超快電光轉(zhuǎn)換模塊與低損耗、多功能信號(hào)處理模塊同時(shí)結(jié)合在一塊芯片上，組成集成微波光子系統(tǒng)。而能實(shí)現(xiàn)卓越效能能的原因是負(fù)責(zé)集成的薄膜鈮酸鋰平臺(tái)。

圖片:65de7d25e4b03b5da6d0a5f5.png

器件加工后的四英寸薄膜鈮酸鋰晶圓照片

為什么是鈮酸鋰

“鈮酸鋰又被稱為‘光子學(xué)之硅’，因?yàn)樗鼘?duì)光子學(xué)的重要性堪比微電子學(xué)中的硅�！蓖躜G說。他在哈佛大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間就致力于研究集成鈮酸鋰光子平臺(tái)，并與哈佛大學(xué)及諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室的同行合作，于2018年在鈮酸鋰平臺(tái)上成功開發(fā)了全球首個(gè)調(diào)制電壓與CMOS芯片兼容的集成電光調(diào)制器。

此后，王騁加入香港城市大學(xué)，所在研究團(tuán)隊(duì)在鈮酸鋰微波光子學(xué)領(lǐng)域地持續(xù)深耕，力爭(zhēng)讓微波光子芯片更小巧、具更高信號(hào)保真度與更低延遲性能。“我認(rèn)為鈮酸鋰是一種非常有潛力，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模片上光子集成應(yīng)用的平臺(tái)。與其他光學(xué)材料相比，它同時(shí)具有優(yōu)異的電光效應(yīng)，超低的光學(xué)損耗，以及大規(guī)模、低成本的制造工藝�！北疚牡谝蛔髡�、香港城市大學(xué)博士生馮寒珂解釋說，“以此次的新研究成果舉例，若要實(shí)現(xiàn)理想的高速片上模擬信號(hào)處理，必須在同一平臺(tái)上同時(shí)擁有高效、線性且高速的電光模塊來執(zhí)行高保真、低損耗的電光轉(zhuǎn)換，和可用于各種信號(hào)處理任務(wù)的低損耗光子網(wǎng)絡(luò)。而這些恰好是鈮酸鋰平臺(tái)所具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)�！�

迎接下一次挑戰(zhàn)

對(duì)于本文共同第一作者、香港城市大學(xué)本科生葛通來說，這次研究的高光時(shí)刻，是在進(jìn)行超高速信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，將脈寬小于10皮秒（1000億分之一秒）的脈沖信號(hào)直接輸入到芯片中，示波器上觀測(cè)到該信號(hào)的微分結(jié)果的那一刻，“這直接證明了我們的光子處理器可以有效處理如此高速的信號(hào)，創(chuàng)造了一個(gè)全新的世界紀(jì)錄”。集成鈮酸鋰微波光子芯片將以如此傲人的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)入5G和6G無線通信系統(tǒng)、高分辨率雷達(dá)系統(tǒng)、人工智能、計(jì)算器視覺，以及圖像/視頻處理等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

以6G網(wǎng)絡(luò)舉例，它運(yùn)行在30-300 GHz的毫米波段，遠(yuǎn)高于當(dāng)前5G網(wǎng)絡(luò)的 5GHz。這意味著6G網(wǎng)絡(luò)需要建立更多基站去支持信號(hào)傳輸、接收和調(diào)度。然而，現(xiàn)在傳統(tǒng)的電子芯片很難在保證高效運(yùn)作的同時(shí)，滿足低功耗、低噪聲和低成本的要求。這卻是微波光子芯片大顯身手的時(shí)機(jī)�！拔覀兯�研發(fā)的微波光子芯片將這些難點(diǎn)轉(zhuǎn)移到可用帶寬近乎無限的光頻段進(jìn)行處理。”王騁說。

下一步，王騁團(tuán)隊(duì)將對(duì)芯片進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和驗(yàn)證，其中關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)包括如何進(jìn)一步提高集成度、實(shí)現(xiàn)芯片與控制電路的高效封裝、優(yōu)化設(shè)備性能和穩(wěn)定性等，從而真正進(jìn)入產(chǎn)品化階段。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07078-9