港大研究人员开发出处理速度更快、能耗更低的微波光子芯片

集成微波光子处理芯片效果图。受访者供图

集成微波光子芯片通过光学元件产生、传输和调控微波信号。但一直以来，集成微波光子系统难以同时实现芯片集成和高保真度、低功耗的超高速模拟信号处理。

“低能耗对于人工智能领域有着重大意义。如今，越来越多的人工智能产品问世，产品更新迭代速度加快，人工智能模型所具备的规模越来越大、复杂度越来越高。随之而来的是能量消耗问题日益凸显，因为它不仅会导致产品成本提升，还会带来无法忽视的环境问题。”王骋在接受《中国科学报》采访时说。

为了解决这些难题，王骋团队将超快电光转换模块与低损耗、多功能信号处理模块同时放置在一块芯片上，组成集成微波光子系统。而能实现卓越效能的原因是负责集成的薄膜铌酸锂平台。

“因为铌酸锂对光子学的重要性堪比微电子学中的硅，所以它又被称为‘光子学之硅’。”王骋说，他在美国哈佛大学攻读博士学位期间就致力于研究集成铌酸锂光子平台。在加入香港城市大学后，其所在研究团队在铌酸锂微波光子学领域持续深耕，力争让微波光子芯片更小巧，具备更高信号保真度与更低延迟性能。

“我认为铌酸锂是一种非常有潜力、可实现大规模片上光子集成应用的平台。与其他光学材料相比，它同时具有优异的电光效应、超低的光学损耗，以及大规模、低成本的制造工艺。”论文第一作者、香港城市大学博士生冯寒珂解释说。

王骋团队研发的集成铌酸锂微波光子芯片不仅速度比传统电子处理器快1000倍，具有67吉赫兹的超宽处理带宽和极高的计算精确度，而且它的能耗更低。以处理一个250×250像素的图片为例，集成铌酸锂微波光子芯片仅需要3纳焦的能耗就能完成对图片边缘信息的提取，而传统的电子芯片若要执行相同的任务，则需要几百甚至上千纳焦的能耗。

对于论文共同第一作者、香港城市大学本科生葛通来说，这次研究的高光时刻，是在进行超高速信号处理测试时，将脉宽小于10皮秒的脉冲信号直接输入到芯片中，示波器上观测到该信号的微分结果的那一刻。“这直接证明了我们的光子处理器可以有效处理如此高速的信号，创造了一个全新的世界纪录。”而集成铌酸锂微波光子芯片将以傲人的优势，进入5G和6G无线通信系统、高分辨率雷达系统，以及图像/视频处理等多种应用场景。

下一步，王骋团队将对芯片进行进一步优化和验证，其中关键的技术挑战包括如何进一步提高集成度、实现芯片与控制电路的高效封装、优化设备性能和稳定性等，从而使其真正进入产品化阶段。

相关论文信息：

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

《中国科学报》 (2024-03-01 第1版 要闻)