香港城市大學電機工程學系副教授王騁團隊，與香港中文大學研究人員合作，利用鈮酸鋰為平臺，開發(fā)出處理速度更快、能耗更低的微波光子芯片，可運用光學進行超快模擬電子信號處理及運算。相關成果以《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元件以產(chǎn)生、傳輸和調控微波信號，主要應對無線網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)與云端服務因為快速擴展而對底層射頻系統(tǒng)產(chǎn)生的巨大需求。但一直以來，集成微波光子系統(tǒng)一直難以同時實現(xiàn)芯片集成和高保真度、低功耗的超高速模擬信號處理。

更快，更精確，更低能耗

王騁團隊研發(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算精確度，同時它的能耗卻更低。王騁打了個比方，以處理一個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，則需要幾百甚至上千納焦的能耗。

“低能耗對于人工智能領域有著重大意義。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)模以及復雜度也會越來越高。隨之而來的是能量消耗問題越來越凸顯，因為它不僅會導致產(chǎn)品成本提升，而且還會帶來無法忽視的環(huán)境問題�！蓖躜G在接受《中國科學報》采訪時說。

為了解決這些難題，王騁團隊將超快電光轉換模塊與低損耗、多功能信號處理模塊同時結合在一塊芯片上，組成集成微波光子系統(tǒng)。而能實現(xiàn)卓越效能能的原因是負責集成的薄膜鈮酸鋰平臺。

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‘光子學之硅’，因為它對光子學的重要性堪比微電子學中的硅�！蓖躜G說。他在哈佛大學攻讀博士學位期間就致力于研究集成鈮酸鋰光子平臺，并與哈佛大學及諾基亞貝爾實驗室的同行合作，于2018年在鈮酸鋰平臺上成功開發(fā)了全球首個調制電壓與CMOS芯片兼容的集成電光調制器。

此后，王騁加入香港城市大學，所在研究團隊在鈮酸鋰微波光子學領域地持續(xù)深耕，力爭讓微波光子芯片更小巧、具更高信號保真度與更低延遲性能�！拔艺J為鈮酸鋰是一種非常有潛力，可實現(xiàn)大規(guī)模片上光子集成應用的平臺。與其他光學材料相比，它同時具有優(yōu)異的電光效應，超低的光學損耗，以及大規(guī)模、低成本的制造工藝�！北疚牡谝蛔髡摺⑾愀鄢鞘写髮W博士生馮寒珂解釋說，“以此次的新研究成果舉例，若要實現(xiàn)理想的高速片上模擬信號處理，必須在同一平臺上同時擁有高效、線性且高速的電光模塊來執(zhí)行高保真、低損耗的電光轉換，和可用于各種信號處理任務的低損耗光子網(wǎng)絡。而這些恰好是鈮酸鋰平臺所具備的獨特優(yōu)勢�！�

迎接下一次挑戰(zhàn)

對于本文共同第一作者、香港城市大學本科生葛通來說，這次研究的高光時刻，是在進行超高速信號處理實驗測試時，將脈寬小于10皮秒（1000億分之一秒）的脈沖信號直接輸入到芯片中，示波器上觀測到該信號的微分結果的那一刻，“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，創(chuàng)造了一個全新的世界紀錄”。集成鈮酸鋰微波光子芯片將以如此傲人的優(yōu)勢，進入5G和6G無線通信系統(tǒng)、高分辨率雷達系統(tǒng)、人工智能、計算器視覺，以及圖像/視頻處理等多種應用場景。

以6G網(wǎng)絡舉例，它運行在30-300 GHz的毫米波段，遠高于當前5G網(wǎng)絡的 5GHz。這意味著6G網(wǎng)絡需要建立更多基站去支持信號傳輸、接收和調度。然而，現(xiàn)在傳統(tǒng)的電子芯片很難在保證高效運作的同時，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機�！拔覀兯�研發(fā)的微波光子芯片將這些難點轉移到可用帶寬近乎無限的光頻段進行處理�！蓖躜G說。

下一步，王騁團隊將對芯片進行進一步優(yōu)化和驗證，其中關鍵的技術挑戰(zhàn)包括如何進一步提高集成度、實現(xiàn)芯片與控制電路的高效封裝、優(yōu)化設備性能和穩(wěn)定性等，從而真正進入產(chǎn)品化階段。

相關鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07078-9