基于高效实行仿照旗子暗记的多用场处理及打算事情，这种铌酸锂微波光子芯片能够达到 67GHz 的超宽处理和 96.6% 的高精度打算。从速度来看，相较于传统的电子处理器，该光子芯片快了 1000 倍，并且它的能耗更低。
该技能在多个领域表现出运用潜力，包括 5G/6G 无线通信系统、高分辨率雷达系统、人工智能、打算器视觉以及图像/视频处理等。
图丨从左至右依次为：博士生冯寒珂、王骋副教授、本科生葛通（来源：王骋）
审稿人对该研究评价道：“这项研究代表了这一领域内非常有代价的技能进步。这些结果有力地证明了（作者们）所提出的铌酸锂光子处理用具备的显著性能上风。”
近日，干系论文以《集成铌酸锂微波光子处理引擎》（Integrated lithium niobate microwave photonic processing engine）为题揭橥在 Nature[1]。喷鼻香港城市大学博士研究生冯寒珂和本科生葛通为共同第一作者，王骋副教授担当通讯作者。
图丨干系论文（来源：Nature）
比传统电子处理器速率快 1000 倍
目前，随着无线通信网络、无人驾驶、物联网、大数据和云做事等领域的迅速扩展，结合人工智能浪潮的涌动，海量的数据信息对旗子暗记处理系统提出了更高的哀求。
那么，该如何实现拥有更大带宽、更高处理速率和更低功耗的处理器呢？为打破传统电子处理器速率和带宽的瓶颈，光子处理器应运而生。
光子处理芯片，顾名思义是利用光进行旗子暗记处理及打算事情。相较于传统的电芯片，光具有更快的速率、更高的打算效率和吞吐量，且在光传输过程中能量丢失较小，不会产生过多的热量，从而降落能耗。
该研究之以是能够得到各项精良的结果，离不开铌酸锂材料在光子领域的独特上风。铌酸锂对光子学的主要性堪比微电子学中的硅，因此它也被称为“光子学之硅”。
铌酸锂独特的电光特性、超低的光学损耗以及大规模、低本钱的制造工艺，使其在构建超快光子处理芯片中脱颖而出，成为实现高速且低耗芯片的空想材料。
图丨集成铌酸锂微波光子芯片示意图（来源：Nature）
在该研究伊始阶段，由于王骋的实验室刚刚建立，如何快速办理铌酸锂晶圆工艺问题成为他们最大的寻衅。铌酸锂工艺是一个旧调重弹的问题，好的工艺是研究开展的根本，也是制备出好器件的必要条件。
“最初阶段时我每天待在超净间摸索工艺，然后结合刻蚀后的铌酸锂波导的描述电镜图，来调度和改进工艺流程。作为一名研究‘新手’碰钉子在所难免。”冯寒珂表示。
这是一个耗时、呆板但必不可少的过程。他们提出通过将强度调制器和具有高品质因子的微环谐振器集成在同一个芯片上，来实现超高速韶光旗子暗记积分功能。那时，课题组成员每天都会在一起谈论如何优化全体工艺流程，然后一次次地通过调度得到越来越空想的测试结果。
研究职员还进一步通过级联微环谐振器，实现了二阶积分功能。“我们从实验中不雅观察到超快旗子暗记的处理结果时，意识到该技能具有极为广泛的运用潜力，于是开始探索可能的运用处景。”葛通表示。
在这种积分器根本上，该课题组展示出微波光子学的运用——超高速求解常微分方程。研究职员调控微环谐振器品质因数，从而可以进行不同参数下方程求解，打算精度达 98.1%。相较于传统电子处理器，这种系统上风明显，大幅度提高了处理速率。
此外，该团队还实现了基于频率啁啾的超高速微分器。他们利用旗子暗记发生器直接将持续韶光 9.6 皮秒的超短 sinc 脉冲输入到光子芯片，有效、准确地得到了微分结果，该结果的实现也显示出铌酸锂微波光子芯片超高速旗子暗记处理能力。
图丨高速微波光子旗子暗记积分器（来源：Nature）
王骋表示：“受到 Nature Photonics 上一篇论文的启示，我和大家展开了深入谈论，决定将研发的光处理芯片用于图像边缘检测中，并与来自喷鼻香港中文大学的袁奕萱教授和英国牛津大学的郭小青博士建立互助，迅速展开干系领域研究。”
在该研究中，研究职员将 250×250 像素的“CityU”图标以数据流的形式输入到芯片，以每秒 2560 亿像素的处理速率得到微分信息。
终极他们惊喜地创造，与现有技能比较，该微波光子芯片不仅保持了 96.6% 的高准确性，而且能够以极低的功耗和原有韶光的千分之一（快约 3 个数量级）完成同样的任务。
图丨光子赋能超高速医学图像分割（来源：Nature）
另一方面，他们还在如何表征芯片的高性能方面进行了永劫光探索。第一轮审稿后，审稿人指出了论文中的一些不敷。研究职员须要研制新的芯片和制订新的实验方案，来阐述和突出铌酸锂微波光子芯片的上风。但当时由于测试设备的短缺，大大限定了实验方案的可行性。
经由几个月的商榷、互换和调试，在喷鼻香港中文大学黄超然教授和博士生王本善的帮助下，该团队又重新搭建了一套用于高速测试的实验平台，全面地验证了铌酸锂芯片的性能上风。
从科研“新手”到卖力全体组的芯片加工，冯寒珂回顾道：“记得我人生第一次做出的铌酸锂芯片，连光都通不进去，后来不断地刷新微环谐振器品质因子（Q 值）实验室记录，每一次打破都有满满的造诣感。”
这次研究虽然探索的过程充满了艰辛和寻衅，但当终极空想的实验结果涌如今示波器上时，全体团队都以为统统的努力都是值得的。
光通信领域的大规模商用前景
在大数据和 AI 浪潮的牵引下，环球算力需求仍将保持快速增长，光模块技能的升级不仅是大略的速率翻倍，更须要办理的是速率提高所带来的功耗高、本钱大等问题。
薄膜铌酸锂光调制器拥有极高的性价比，既知足速率需求，也具有低的功耗。王骋指出，基于薄膜的调制器技能在国内外的商业化进程已经有一段韶光，并有望于最近一两年内，在光通信领域实现大规模商业化运用。
该课题组认为，薄膜铌酸锂平台在未来更大的上风在于，其运用于更大规模片上系统时，能同时供应高速电光掌握、低损耗传输和可扩展性。“这些是目前其他主流平台都不具备的，也是我们现在的紧张努力方向。”冯寒珂表示。
（来源：王骋）
当一个芯片不仅仅供应单一器件时，它便拥有了更多的发展空间，可能的运用处景包括：无线通信、物联网、毫米波雷达等领域。
以该研究中的系统为例，6G 网络将须要在频率远高于当前 5G 网络（~ 5GHz）的毫米波频段（30-300GHz）运行，并且须要更多的基站支持旗子暗记传输、吸收和调度。
由于每个基站的覆盖范围小得多，以是支持这类网络的设备须要能够在更高的频率上运行，因此同时应知足更集成、更低能耗和更低本钱的需求。
图丨铌酸锂微波光子芯片（来源：王骋）
而基于传统电子芯片的旗子暗记处理器很难在这些频段高效运作，在功耗、噪声和带宽等方面都存在很大寻衅。王骋表示：“我们的铌酸锂微波光子处理芯片将这些难点转移到可用带宽近乎无限的光频段进行处理，因此供应了性能大幅提升的办理方案。”
将连续开拓和验证薄膜铌酸锂技能的家当运用
王骋在清华大学得到微电子学学士学位，在美国哈佛大学得到电气工程硕士和博士学位，师从马尔科·隆查尔（Marko Lončar）教授，并连续在哈佛大学从事博士后研究。
2018 年，王骋与哈佛大学团队和诺基亚贝尔实验室互助，在铌酸锂平台上开拓了环球首个电压与互补式金氧半导体芯片兼容的集成电光调制器[2]，至此掀起了薄膜铌酸锂研究的“热潮”。
同年，王骋在喷鼻香港城市大学建立独立课题组，连续深耕集成铌酸锂光子领域，并探索出高性能的晶圆级铌酸锂加工工艺。
此前，该团队的研究已在涉足微波光子领域。例如，研究高线性度调制器和毫米波-光调制器，分别办理了薄膜铌酸锂平台运用于微波光子学和毫米波光子学的主要瓶颈，提高了链路的线性度和扩大了系统的相应度[3-4]（DeepTech 以往宣布：为微波与毫米波光子学瓶颈供应新方案，港城大团队大幅提升薄膜铌酸锂调制器线性度及事情带宽）。
由于“发明独特的薄膜铌酸锂平台及配套微纳加工体系，实现高性能、小体积、低本钱、低功耗的光互连办理方案”，王骋成为 2021 年《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国区入选者之一（DeepTech 以往宣布：王骋：打破传统瓶颈，研发高性能集成铌酸锂光电子芯片，实现高性能低本钱光互连办理方案）。
基于本次新的研究成果，他们操持在铌酸锂工艺的进一步规模化和封装工艺的进一步优化方面连续推进，以减少全体器件的插入损耗，提高事情稳定性并进一步实现更大规模的片上旗子暗记处理，从而能够真正在实地系统中测试全体芯片的运用效果。
下一阶段他们操持，进一步提升铌酸锂片上光系统的集成度和功能性。这既包括与课题组已有的其他功能器件（如光频梳等）在同一片上集成，也包括和其他光学材料的异质集成，以实现包括激光器、探测器在内的更多器件的集成和协同效应。
家当互助方面，目前王骋与团队正在积极探索与光通信设备制造商和光学器件供应商的互助，共同开拓和验证薄膜铌酸锂技能在干系家傍边的运用。他表示：“我们也欢迎更多感兴趣的家当互助者与我们联系。”
参考资料：
1.Feng, H., Ge, T., Guo, X.et al. Integrated lithium niobate microwave photonic processing engine. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07078-9
2.C. Wang, M. Zhang, X. Chen, M. Bertrand, A. Shams-Ansari, S. Chandrasekhar, P. Winzer, and M. Lončar.Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages. Nature, 562:101-104, 2018.https://doi.org/10.1038/s41586-018-0551-y
3.H.K. Feng, K. Zhang, W.Z. Sun, Y.M. Ren, Y.W. Zhang, W.F. Zhang and C. Wang, Ultra-high-linearity integrated lithium niobate electro-optic modulators. Photonics Research, 10:2366-2373, 2022.https://doi.org/10.1364/PRJ.464650
4. Y.W. Zhang, L.B. Shao, J.W. Yang, Z.X. Chen, K. Zhang, K-M. Shum, D. Zhu, C.H. Chan, M. Lončar and C. Wang,Systematic investigation of millimeter-wave optic modulation performance in thin-film lithium niobate. Photonics Research, 10:2380-2387, 2022.https://doi.org/10.1364/PRJ.468518
运营/排版：何晨龙
