集成微波光子處理芯片效果圖 受訪者供圖
香港城市大學(xué)電機(jī)工程學(xué)系副教授王騁團(tuán)隊，與香港中文大學(xué)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(xué)進(jìn)行超快模擬電子信號處理及運算。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，主要應(yīng)對無線網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)與云端服務(wù)因為快速擴(kuò)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(tuán)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(wù)，則需要幾百甚至上千納焦的能耗。
“低能耗對于人工智能領(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(dǎo)致產(chǎn)品成本提升，而且還會帶來無法忽視的環(huán)境問題。”王騁在接受《中國科學(xué)報》采訪時說。
為了解決這些難題，王騁團(tuán)隊將超快電光轉(zhuǎn)換模塊與低損耗、多功能信號處理模塊同時結(jié)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(fù)責(zé)集成的薄膜鈮酸鋰平臺。
器件加工后的四英寸薄膜鈮酸鋰晶圓照片 受訪者供圖
為什么是鈮酸鋰
“鈮酸鋰又被稱為‘光子學(xué)之硅’，因為它對光子學(xué)的重要性堪比微電子學(xué)中的硅。”王騁說。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，并與哈佛大學(xué)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(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)隊在鈮酸鋰微波光子學(xué)領(lǐng)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。“我認(rèn)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(yīng)用的平臺。與其他光學(xué)材料相比，它同時具有優(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。”本文第一作者、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(zhuǎn)換，和可用于各種信號處理任務(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(xué)本科生葛通來說，這次研究的高光時刻，是在進(jìn)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(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，創(chuàng)造了一個全新的世界紀(jì)錄”。集成鈮酸鋰微波光子芯片將以如此傲人的優(yōu)勢，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、計算器視覺，以及圖像/視頻處理等多種應(yīng)用場景。
以6G網(wǎng)絡(luò)舉例，它運行在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(jī)。“我們所研發(fā)的微波光子芯片將這些難點轉(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)隊將對芯片進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和驗證，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)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07078-9
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