香港城市大学电机工程学系王骋教授领导的研究团队与香港中文大学的学者合作,开发出全球领先的微波光子芯片,能运用光学进行超快模拟电子信号处理及运算,比传统电子处理器的速度快1000倍、耗能更低,且应用范围广泛……

2月29日,据香港城市大学(城大)公布,由该校电机工程学系王骋教授领导的研究团队与香港中文大学的学者合作,开发出全球领先的微波光子芯片,能运用光学进行超快模拟电子信号处理及运算。这种芯片比传统电子处理器的速度快1000倍、耗能更低,且应用范围广泛,涵盖5/6G无线通讯系统、高解析度雷达系统、人工智能、计算机视觉,以及图像/视频处理。

王骋与研究团队开发出全球领先的微波光子芯片,可运用光学进行超快模拟电子信号处理及运算。(香港城市大学供图)

团队的研究成果以《集成铌酸锂微波光子处理引擎》为题,刚在权威学术期刊《自然》上发表,题为“集成铌酸锂微波光子处理引擎”。 相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-024-07078-9

铌酸锂是关键材料

无线网络、物联网与云端服务的快速扩展,对底层射频系统产生巨大需求。微波光子技术使用光学元件以产生、传输和调控微波信号,为应对这些挑战提供有效解决方案。然而,集成微波光子系统一直难以同时实现晶片集成、高保真度及低功耗的超高速模拟信号处理。

为解决这一难题,王骋与团队开发了集成微波光子系统,将超快电光转换模块与低损耗、多功能信号处理模块同时结合在一块芯片上,“这是前所未有的成果。”

能达至这种卓越效能,是透过基于薄膜铌酸锂平台的集成微波光子处理引擎,该平台能执行模拟信号的多用途处理及计算工作。

“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。”电机工程学系博士生、论文的共同第一作者冯寒珂说:“这种芯片可进行高速模拟计算,具有67吉赫兹的超宽处理频宽和极高的计算精确度。”

器件加工后的四英寸薄膜铌酸锂晶圆照片(香港城市大学供图)

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。

创造全新的世界纪录

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(1000亿分之一秒)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。”

(香港城市大学供图)

以6G网络举例,它运行在30-300 GHz的毫米波段,远高于当前5G网络的 5GHz。这意味着6G网络需要建立更多基站去支持信号传输、接收和调度。然而,现在传统的电子芯片很难在保证高效运作的同时,满足低功耗、低噪声和低成本的要求。这却是微波光子芯片大显身手的时机。“我们所研发的微波光子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。”王骋说。

研究团队多年来致力研究集成铌酸锂光子平台。2018年,他们与美国哈佛大学及诺基亚贝尔实验室的同行合作,在铌酸锂平台上开发了全球首个电压与互补式金氧半导体(CMOS)芯片兼容的集成电光调制器,为这次的研究突破奠定基础。铌酸锂又称为“光子学之硅”,因其对光子学的重要性堪比微电子学中的硅。

王骋说,他在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,团队的研究成果不仅开辟了新的研究领域,即铌酸锂微波光子学,使微波光子芯片更小巧、具高信号保真度与低延迟性能,也是芯片级模拟电子处理与运算引擎的突破。

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。

(左起)冯寒珂、王骋教授及葛通(香港城市大学供图)

本文内容参考人民网-港澳频道、大公报、香港城市大学报道

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