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，利用鈮酸鋰為平台，開發出處理速度更快、能耗更低的微波光子晶片，可運用光學進行超快模擬電子訊號處理及運算。相關研究成果2月29日發表於《自然》。

整合微波光子處理晶片效果圖。受訪者供圖

整合式微波光子晶片透過光學元件產生、傳輸和調控微波訊號。但一直以來，整合微波光子系統難以同時實現晶片整合和高保真度、低功耗的超高速類比訊號處理。

「低能耗對於人工智慧領域有著重大意義。如今，越來越多的人工智慧產品問世，產品更新迭代速度加快，人工智慧模式所具備的規模越來越大、複雜度越來越高。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》採訪時說。

為了解決這些難題，王騁團隊將超快電光轉換模組與低損耗、多功能訊號處理模組同時放置在一塊晶片上，組成整合式微波光子系統。而能達到卓越效能的原因是負責整合的薄膜鈮酸鋰平台。

「因為鈮酸鋰對光子學的重要性堪比微電子學中的矽，所以它又被稱為『光子學之矽』。」王騁說，他在美國哈佛大學攻讀博士學位期間就致力於研究整合鈮酸鋰光子平台。在加入香港城市大學後，其所在研究團隊在鈮酸鋰微波光子學領域持續深耕，力求讓微波光子晶片更小巧，具備更高訊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整合應用的平台。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、低成本的製造過程。」論文第一作者、香港城市大學博士生馮寒珂解釋。

王騁團隊研發的整合鈮酸鋰微波光子晶片不僅速度比傳統電子處理器快1000倍，具有67吉赫茲的超寬處理頻寬和極高的運算精確度，而且它的能耗更低。以處理一個250×250像素的圖片為例，整合鈮酸鋰微波光子晶片僅需要3納焦的能耗就能完成對圖片邊緣資訊的提取，而傳統的電子晶片若要執行相同的任務，則需要幾百甚至上千納焦的能耗。

對於論文共同第一作者、香港城市大學本科生葛通來說，這次研究的高光時刻，是在進行超高速訊號處理測試時，將脈寬小於10皮秒的脈衝訊號直接輸入到晶片中，在示波器上觀測到該訊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訊號，創造了一個全新的世界紀錄。」而整合鈮酸鋰微波光子晶片將以傲人的優勢，進入5G和6G無線通訊系統、高解析度雷達系統，以及影像/視訊處理等多種應用場景。

下一步，王騁團隊將對晶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、實現晶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。

相關論文資訊：

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

《中國科學報》 (2024-03-01 第1版要聞)