港城大王騁團隊Nature：鈮酸鋰微波光子芯片，實現高速精確低能耗集成系統

袁一雪 | 作者

酥魚 | 編輯

中國科學報 | 來源

香港城市大學電機工程學系王騁教授帶領團隊，與香港中文大學的研究人員合作，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。相關成果以《集成鈮酸鋰微波光子處理引擎》為題，發表在2月29日的Nature上。

集成微波光子芯片使用光學元件以產生、傳輸和調控微波信號，主要應對無線網絡、物聯網與云端服務因為快速擴展而對底層射頻系統產生的巨大需求。

此次論文成果報道了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，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。

集成微波光子處理芯片效果圖

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。而能實現卓越效能的原因是負責集成的薄膜鈮酸鋰平臺。

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。”王騁說。他從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，并在2018年與哈佛大學及諾基亞貝爾實驗室的同行合作，在鈮酸鋰平臺上成功開發了全球首個調制電壓與CMOS芯片兼容的集成電光調制器。

器件加工后的四英寸薄膜鈮酸鋰晶圓照片

自那時開始，王騁在香港城市大學的研究團隊就持續不斷在鈮酸鋰微波光子學領域深耕，以期使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。”馮寒珂（香港城市大學博士生，本文第一作者）解釋說，“以此次的新研究成果舉例，若要實現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絡。而這些恰好是鈮酸鋰平臺所具備的獨特優勢。”

本文共同第一作者葛通回憶，在做超高速信號處理實驗測試，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時刻，最是令他印象深刻，“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”。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、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網絡舉例，它運行在30-300 GHz的毫米波段，遠高于當前5G網絡的 5GHz。這意味著6G網絡需要建立更多基站去支持信號傳輸、接收和調度。然而，現在傳統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。“我們所研發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。”王騁說。

下一步，王騁將帶領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，為真正進入產品化階段做準備。