集成微波光子處理芯片效果圖。

本報訊（記者袁一雪）香港城市大學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。相關研究成果2月29日發表于《自然》。

集成微波光子芯片通過光學元件產生、傳輸和調控微波信號。但一直以來，集成微波光子系統難以同時實現芯片集成和高保真度、低功耗的超高速模擬信號處理。

“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品問世，產品更新迭代速度加快，人工智能模型所具備的規模越來越大、復雜度越來越高。隨之而來的是能量消耗問題日益凸顯，因為它不僅會導致產品成本提升，還會帶來無法忽視的環境問題。”王騁在接受《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放置在一塊芯片上，組成集成微波光子系統。而能實現卓越效能的原因是負責集成的薄膜鈮酸鋰平臺。

“因為鈮酸鋰對光子學的重要性堪比微電子學中的硅，所以它又被稱為‘光子學之硅’。”王騁說，他在美國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。在加入香港城市大學后，其所在研究團隊在鈮酸鋰微波光子學領域持續深耕，力爭讓微波光子芯片更小巧，具備更高信號保真度與更低延遲性能。

“我認為鈮酸鋰是一種非常有潛力、可實現大規模片上光子集成應用的平臺。與其他光學材料相比，它同時具有優異的電光效應、超低的光學損耗，以及大規模、低成本的制造工藝。”論文第一作者、香港城市大學博士生馮寒珂解釋說。

王騁團隊研發的集成鈮酸鋰微波光子芯片不僅速度比傳統電子處理器快1000倍，具有67吉赫茲的超寬處理帶寬和極高的計算精確度，而且它的能耗更低。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，而傳統的電子芯片若要執行相同的任務，則需要幾百甚至上千納焦的能耗。

對于論文共同第一作者、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測試時，將脈寬小于10皮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，創造了一個全新的世界紀錄。”而集成鈮酸鋰微波光子芯片將以傲人的優勢，進入5G和6G無線通信系統、高分辨率雷達系統，以及圖像/視頻處理等多種應用場景。

下一步，王騁團隊將對芯片進行進一步優化和驗證，其中關鍵的技術挑戰包括如何進一步提高集成度、實現芯片與控制電路的高效封裝、優化設備性能和穩定性等，從而使其真正進入產品化階段。

相關論文信息：

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