光晶片領域迎新進展：科學家研發铌酸锂微波光晶片，兼具超寬帶處理和高精度計算

近期，香港城市大學王騁副教授課題組基于薄膜铌酸锂平台，開發出一款內建微波光子處理器，首次在同一晶片上結合了超快電光轉換子產品和低損耗、多功能信号處理子產品。

基于高效執行模拟信号的多用途處理及計算工作，這種铌酸锂微波光子晶片能夠達到 67GHz 的超寬處理和 96.6% 的高精度計算。從速度來看，相較于傳統的電子處理器，該光子晶片快了 1000 倍，并且它的能耗更低。

該技術在多個領域表現出應用潛力，包括 5G/6G 無線通信系統、高分辨率雷達系統、人工智能、電腦視覺以及圖像/視訊處理等。

圖丨從左至右依次為：博士生馮寒珂、王騁副教授、大學生葛通（來源：王騁）

審稿人對該研究評價道：“這項研究代表了這一領域内非常有價值的技術進步。這些結果有力地證明了（作者們）所提出的铌酸锂光子處理器具備的顯著性能優勢。”

近日，相關論文以《內建铌酸锂微波光子處理引擎》（Integrated lithium niobate microwave photonic processing engine）為題發表在 Nature[1]。香港城市大學博士研究所學生馮寒珂和大學生葛通為共同第一作者，王騁副教授擔任通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Nature）

比傳統電子處理器速度快 1000 倍

目前，随着無線通信網絡、無人駕駛、物聯網、大資料和雲服務等領域的迅速擴充，結合人工智能浪潮的湧動，海量的資料資訊對信号處理系統提出了更高的要求。

那麼，該如何實作擁有更大帶寬、更高處理速度和更低功耗的處理器呢？為突破傳統電子處理器速度和帶寬的瓶頸，光子處理器應運而生。

光子處理晶片，顧名思義是運用光進行信号處理及計算工作。相較于傳統的電晶片，光具有更快的速度、更高的計算效率和吞吐量，且在光傳輸過程中能量損失較小，不會産生過多的熱量，進而降低能耗。

該研究之是以能夠得到各項優異的結果，離不開铌酸锂材料在光子領域的獨特優勢。铌酸锂對光子學的重要性堪比微電子學中的矽，是以它也被稱為“光子學之矽”。

铌酸锂獨特的電光特性、超低的光學損耗以及大規模、低成本的制造技術，使其在建構超快光子處理晶片中脫穎而出，成為實作高速且低耗晶片的理想材料。

圖丨內建铌酸锂微波光子晶片示意圖（來源：Nature）

在該研究伊始階段，由于王騁的實驗室剛剛建立，如何快速解決铌酸锂晶圓工藝問題成為他們最大的挑戰。铌酸锂工藝是一個老生常談的問題，好的工藝是研究開展的基礎，也是制備出好器件的必要前提。

“最初階段時我每天待在超淨間摸索工藝，然後結合刻蝕後的铌酸锂波導的形貌電鏡圖，來調整和改進工藝流程。作為一名研究‘新手’碰壁在所難免。”馮寒珂表示。

這是一個耗時、枯燥但必不可少的過程。他們提出通過将強度調制器和具有高品質因子的微環諧振器內建在同一個晶片上，來實作超高速時間信号積分功能。那時，課題組成員每天都會在一起讨論如何優化整個工藝流程，然後一次次地通過調整得到越來越理想的測試結果。

研究人員還進一步通過級聯微環諧振器，實作了二階積分功能。“我們從實驗中觀察到超快信号的處理結果時，意識到該技術具有極為廣泛的應用潛力，于是開始探索可能的應用場景。”葛通表示。

在這種積分器基礎上，該課題組展示出微波光子學的應用——超高速求解常微分方程。研究人員調控微環諧振器品質因數，進而可以進行不同參數下方程求解，計算精度達 98.1%。相較于傳統電子處理器，這種系統優勢明顯，大幅度提高了處理速度。

此外，該團隊還實作了基于頻率啁啾的超高速微分器。他們利用信号發生器直接将持續時間 9.6 皮秒的超短 sinc 脈沖輸入到光子晶片，有效、準确地獲得了微分結果，該結果的實作也顯示出铌酸锂微波光子晶片超高速信号處理能力。

圖丨高速微波光子信号積分器（來源：Nature）

王騁表示：“受到 Nature Photonics 上一篇論文的啟發，我和大家展開了深入讨論，決定将研發的光處理晶片用于圖像邊緣檢測中，并與來自香港中文大學的袁奕萱教授和英國牛津大學的郭小青博士建立合作，迅速展開相關領域研究。”

在該研究中，研究人員将 250×250 像素的“CityU”圖示以資料流的形式輸入到晶片，以每秒 2560 億像素的處理速度得到微分資訊。

最終他們驚喜地發現，與現有技術相比，該微波光子晶片不僅保持了 96.6% 的高準确性，而且能夠以極低的功耗和原有時間的千分之一（快約 3 個數量級）完成同樣的任務。

圖丨光子賦能超高速醫學圖像分割（來源：Nature）

另一方面，他們還在如何表征晶片的高性能方面進行了長時間探索。第一輪審稿後，審稿人指出了論文中的一些不足。研究人員需要研制新的晶片和制定新的實驗方案，來闡述和突出铌酸锂微波光子晶片的優勢。但當時由于測試裝置的短缺，大大限制了實驗方案的可行性。

經過幾個月的商讨、交流和調試，在香港中文大學黃超然教授和博士生王本善的幫助下，該團隊又重新搭建了一套用于高速測試的實驗平台，全面地驗證了铌酸锂晶片的性能優勢。

從科研“新手”到負責整個組的晶片加工，馮寒珂回憶道：“記得我人生第一次做出的铌酸锂晶片，連光都通不進去，後來不斷地重新整理微環諧振器品質因子（Q 值）實驗室記錄，每一次突破都有滿滿的成就感。”

這次研究雖然探索的過程充滿了艱辛和挑戰，但當最終理想的實驗結果出現在示波器上時，整個團隊都覺得一切的努力都是值得的。

光通信領域的大規模商用前景

在大資料和 AI 浪潮的牽引下，全球算力需求仍将保持快速增長，光子產品技術的更新不僅是簡單的速率翻倍，更需要解決的是速率提高所帶來的功耗高、成本大等問題。

薄膜铌酸锂光調制器擁有極高的成本效益，既滿足速度需求，也具有低的功耗。王騁指出，基于薄膜的調制器技術在國内外的商業化程序已經有一段時間，并有望于最近一兩年内，在光通信領域實作大規模商業化應用。

該課題組認為，薄膜铌酸锂平台在未來更大的優勢在于，其應用于更大規模片上系統時，能同時提供高速電光控制、低損耗傳輸和可擴充性。“這些是目前其他主流平台都不具備的，也是我們現在的主要努力方向。”馮寒珂表示。

（來源：王騁）

當一個晶片不僅僅提供單一器件時，它便擁有了更多的發展空間，可能的應用場景包括：無線通信、物聯網、毫米波雷達等領域。

以該研究中的系統為例，6G 網絡将需要在頻率遠高于目前 5G 網絡（~ 5GHz）的毫米波頻段（30-300GHz）運作，并且需要更多的基站支援信号傳輸、接收和排程。

由于每個基站的覆寫範圍小得多，是以支援這類網絡的裝置需要能夠在更高的頻率上運作，是以同時應滿足更內建、更低能耗和更低成本的需求。

圖丨铌酸锂微波光子晶片（來源：王騁）

而基于傳統電子晶片的信号處理器很難在這些頻段高效運作，在功耗、噪聲和帶寬等方面都存在很大挑戰。王騁表示：“我們的铌酸锂微波光子處理晶片将這些難點轉移到可用帶寬近乎無限的光頻段進行處理，是以提供了性能大幅提升的解決方案。”

将繼續開發和驗證薄膜铌酸锂技術的産業應用

王騁在清華大學獲得微電子學學士學位，在美國哈佛大學獲得電氣工程碩士和博士學位，師從馬爾科·隆查爾（Marko Lončar）教授，并繼續在哈佛大學從事博士後研究。

2018 年，王騁與哈佛大學團隊和諾基亞貝爾實驗室合作，在铌酸锂平台上開發了全球首個電壓與互補式金氧半導體晶片相容的內建電光調制器[2]，至此掀起了薄膜铌酸锂研究的“熱潮”。

同年，王騁在香港城市大學建立獨立課題組，繼續深耕內建铌酸锂光子領域，并探索出高性能的晶圓級铌酸锂加工工藝。

此前，該團隊的研究已在涉足微波光子領域。例如，研究高線性度調制器和毫米波-光調制器，分别解決了薄膜铌酸锂平台應用于微波光子學和毫米波光子學的重要瓶頸，提高了鍊路的線性度和擴大了系統的響應度[3-4]（DeepTech 以往報道：為微波與毫米波光子學瓶頸提供新方案，港城大團隊大幅提升薄膜铌酸锂調制器線性度及工作帶寬）。

由于“發明獨特的薄膜铌酸锂平台及配套微納加工體系，實作高性能、小體積、低成本、低功耗的光互連解決方案”，王騁成為 2021 年《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人”中國區入選者之一（DeepTech 以往報道：王騁：突破傳統瓶頸，研發高性能內建铌酸锂光電子晶片，實作高性能低成本光互連解決方案）。

基于本次新的研究成果，他們計劃在铌酸锂工藝的進一步規模化和封裝工藝的進一步優化方面繼續推進，以減少整個器件的插入損耗，提高工作穩定性并進一步實作更大規模的片上信号處理，進而能夠真正在實地系統中測試整個晶片的應用效果。

下一階段他們計劃，進一步提升铌酸锂片上光系統的內建度和功能性。這既包括與課題組已有的其他功能器件（如光頻梳等）在同一片上內建，也包括和其他光學材料的異質內建，以實作包括雷射器、探測器在内的更多器件的內建和協同效應。

産業合作方面，目前王騁與團隊正在積極探索與光通信裝置制造商和光學器件供應商的合作，共同開發和驗證薄膜铌酸锂技術在相關産業中的應用。他表示：“我們也歡迎更多感興趣的産業合作者與我們聯系。”

參考資料：

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

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