快1000倍！超快光子芯片重塑信号处理

香港城市大学电子工程系王诚教授领导的研究团队开发出一种世界领先的微波光子(MWP)芯片，该芯片能够利用光学进行超快的模拟电子信号处理和计算。

该芯片利用铌酸锂为平台，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。它的速度比传统电子处理器快1000倍，能耗更低，应用范围广泛，涵盖5/6G无线通信系统、高分辨率雷达系统、人工智能、计算机视觉、图像/视频处理等。

研究组的研究结果发表在著名科学杂志《Nature》上，题为《Integrated Lithium Niobate Microwave Photonic Processing Engine》。这是一项与香港中文大学合作进行的研究。

应对现代通信挑战

无线网络、物联网和基于云的服务的快速扩展对底层射频系统提出了巨大的需求。微波光子学(MWP)技术利用光学元件进行微波信号的产生、传输和处理，为这些挑战提供了有效的解决方案。然而，集成MWP系统一直在努力同时实现超高速模拟信号处理、芯片级集成、高保真度和低功耗。

微波光子学（Microwave Photonics，MWP）是一门融合微波技术和光子学的交叉学科，主要研究微波信号和光信号的相互作用，以及工作在微波频段的光学器件，并将其应用于微波系统与光学系统中。该学科涉及光学、微波技术、半导体技术、集成光学、光纤导波光学和微波单片集成电路等多个领域。

微波光子学具有低传输损耗、宽带宽和强抗干扰等特点，能够解决传统电子器件在电域遇到的难题，如信号带宽较小、频率调谐性差、无法在复杂的电磁环境下传输等。因此，微波光子学在通信、雷达、传感、安全、航空航天、现代化信息系统、医学等领域有着广泛应用。

王教授解释说：“为了应对这些挑战，我们的团队开发了一种MWP系统，该系统将超快电光(EO)转换与低损耗的多功能信号处理结合在一个集成芯片上，这是以前从未实现过的。”

这种性能是由基于薄膜铌酸锂(LN)平台的集成MWP处理引擎实现的，该引擎能够执行模拟信号的多用途处理和计算任务。

“该芯片可以进行高速模拟计算，具有67 GHz的超远处理带宽和出色的计算精度，”电子工程学院博士生、该论文的第一作者冯汉科说。

开创性的铌酸锂光子学

该团队多年来一直致力于集成LN光子平台的研究。2018年，哈佛大学和诺基亚贝尔实验室的同事在LN平台上开发了世界上第一个CMOS(互补金属氧化物半导体)兼容的集成电光调制器，为当前的研究突破奠定了基础。LN因其对光子学的重要性而被称为“光子学中的硅”，可与微电子学中的硅相媲美。

集成LN光子平台是指利用铌酸锂（Lithium Niobate，简称LN）材料制成的光子集成平台。铌酸锂是一种优秀的光学材料，具有低光学损耗、高电光系数、宽透明窗口、良好的热稳定性和化学稳定性等特点，因此在光子集成领域具有广泛的应用前景。

他们的工作开辟了一个新的研究领域，即LN微波光子学，使微波光子学芯片具有紧凑的尺寸，高信号保真度，低延迟;它也代表了一个芯片级的模拟电子处理和计算引擎。

参考文章：1,000x Faster: Ultrafast Photonics Chip Reshapes Signal Processing (scitechdaily.com)