港大研究人员开发出处理速度更快、能耗更低的微波光子芯片

港大研究人员开发出处理速度更快、能耗更低的微波光子芯片集成微波光子处理芯片效果图。受访者供图集成微波光子芯片通过光学元件产生、传输和调控微波信号。但一直以来，集成微波光子系统难以同时实现芯片集成和高保真度、低功耗的超高速模拟信号处理。“低能耗对于人工智能领域有着重大意义。如今，越来越多的人工智能产品问世，产品更新迭代速度加快，人工智能模型所具备的规模越来越大、复杂度越来越高。随之而来的是能量消耗问题日益凸显，因为它不仅会导致产品成本提升，还会带来无法忽视的环境问题。”王骋在接受《中国科学报》采访时说。为了解决这些难题，王骋团队将超快电光转换模块与低损耗、多功能信号处理模块同时放置在一块芯片上，组成集成微波光子系统。而能实现卓越效能的原因是负责集成的薄膜铌酸锂平台。“因为铌酸锂对光子学的重要性堪比微电子学中的硅，所以它又被称为‘光子学之硅’。”王骋说，他在美国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，其所在研究团队在铌酸锂微波光子学领域持续深耕，力争让微波光子芯片更小巧，具备更高信号保真度与更低延迟性能。“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。”论文第一作者、香港城市大学博士生冯寒珂解释说。王骋团队研发的集成铌酸锂微波光子芯片不仅速度比传统电子处理器快1000倍，具有67吉赫兹的超宽处理带宽和极高的计算精确度，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。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。”而集成铌酸锂微波光子芯片将以傲人的优势，进入5G和6G无线通信系统、高分辨率雷达系统，以及图像/视频处理等多种应用场景。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。相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07078-9《中国科学报》(2024-03-01第1版要闻)...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1421958.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1421958.htm

科学家开发出突破性微型光纤激光器 更锐利、更小巧、更智能

科学家开发出突破性微型光纤激光器更锐利、更小巧、更智能基于氮化硅光子集成电路的全封装混合集成铒激光器的光学图像，可提供光纤激光器相干性和以前无法实现的频率可调谐性。资料来源：AndreaBancora和YangLiu（洛桑联邦理工学院）光纤激光器使用掺杂稀土元素（铒、镱、钕等）的光纤作为光增益源（产生激光的部分）。光纤激光器能发出高质量的光束，输出功率高，效率高，维护成本低，经久耐用，而且体积通常比气体激光器小。光纤激光器也是低相位噪声的"黄金标准"，这意味着它们的光束可以长期保持稳定。尽管如此，人们对芯片级光纤激光器微型化的需求仍在不断增长。基于铒的光纤激光器尤其令人感兴趣，因为它们符合保持激光器高相干性和稳定性的所有要求。但是，要实现光纤激光器的微型化，就必须在小尺度上保持其性能。现在，EPFL的刘洋博士和TobiasKippenberg教授领导的科学家们制造出了首台芯片集成的掺铒波导激光器，其性能接近光纤激光器，将宽波长可调谐性与芯片级光子集成的实用性相结合。这一突破发表在《自然-光子学》（NaturePhotonics）上。制造芯片级激光器研究人员采用最先进的制造工艺开发出了芯片级铒激光器。他们首先在超低损耗氮化硅光子集成电路的基础上构建了一个一米长的片上光腔（一组提供光反馈的反射镜）。刘博士说："尽管芯片尺寸小巧，但我们却能将激光腔设计成米级长度，这要归功于这些微oring谐振器的集成，它们能在不增大设备物理尺寸的情况下有效延长光路。"然后，研究小组在电路中植入高浓度铒离子，选择性地产生激光所需的有源增益介质。最后，他们将电路与III-V族半导体泵浦激光器集成，以激发铒离子，使其发光并产生激光束。基于掺铒光子集成电路的混合集成激光器的光学图像，该激光器具有光纤激光相干性和以前无法实现的频率可调谐性。资料来源：YangLiu（洛桑联邦理工学院）为了完善激光器的性能并实现精确的波长控制，研究人员设计了一种创新的腔内设计，其特点是基于微孔的Vernier过滤器，这是一种可以选择特定光频的光学过滤器。滤波器可在很大范围内对激光波长进行动态调整，从而使其在各种应用中都能发挥作用。这种设计支持稳定的单模激光，其内在线宽仅为50Hz，非常窄，令人印象深刻。它还具有显著的边模抑制功能--激光器能够以单一、稳定的频率发光，同时将其他频率（"边模"）的强度降至最低。这确保了高精度应用在整个光谱范围内的"干净"和稳定输出。这种芯片级铒光纤激光器的输出功率超过10mW，边模抑制比超过70dB，性能优于许多传统系统。它还具有非常窄的线宽，这意味着它发出的光非常纯净和稳定，这对于传感、陀螺仪、激光雷达和光学频率计量等相干应用非常重要。基于微光的Vernier滤波器使激光器在C波段和L波段（用于电信的波长范围）内具有40nm的宽波长可调谐性，在调谐和低光谱尖刺指标（"尖刺"是不需要的频率）方面都超越了传统光纤激光器，同时与当前的半导体制造工艺保持兼容。将铒光纤激光器微型化并集成到芯片级设备中可降低其总体成本，使其可用于电信、医疗诊断和消费电子等领域的便携式高度集成系统。它还可以缩小光学技术在其他各种应用中的规模，如激光雷达、微波光子学、光频合成和自由空间通信。"这种新型掺铒集成激光器的应用领域几乎是无限的，"Liu说。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1434644.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1434644.htm

科学家利用先进的计时芯片将精度提升到新水平

科学家利用先进的计时芯片将精度提升到新水平NIST研究人员在测试一种将光转换成微波信号的芯片。图为芯片，它是一个荧光面板，看起来像两张小黑胶唱片。芯片左侧的金色方框是向芯片发射光线的半导体激光器。图片来源：K.Palubicki/NIST这种技术可以减少所谓的定时抖动，即微波信号在定时上的微小随机变化。就像音乐家在音乐中努力保持稳定的节拍一样，这些信号的定时有时也会出现一些波动。研究人员已将这些定时抖动减少到极小的几分之一秒--确切地说是15飞秒，比传统微波源有了很大改进--使信号更加稳定和精确，从而可以提高雷达的灵敏度、模数转换器的精确度以及天文望远镜群捕捉到的天文图像的清晰度。研究小组的研究成果发表在《自然》杂志上。这次演示的与众不同之处在于产生这些信号的元件设计紧凑。研究人员首次将曾经是桌面大小的系统，缩小到与数码相机存储卡差不多大小的紧凑型芯片中。在小规模上减少定时抖动可降低功耗，使其更适用于日常设备。目前，这项技术的几个组件位于芯片外部，研究人员正在测试它们的有效性。该项目的最终目标是将激光器、调制器、探测器和光放大器等所有不同部件集成到一个芯片上。通过将所有组件集成到一个芯片上，该团队可以减小系统的尺寸和功耗。这意味着它可以很容易地集成到小型设备中，而不需要大量能源和专门培训。NIST物理科学家弗兰克-昆兰（FrankQuinlan）说："目前的技术需要几个实验室和许多博士才能实现微波信号。这项研究的很多内容都是关于我们如何通过缩小元件尺寸来利用光信号的优势，并使一切都更容易获得。"为了实现这一目标，研究人员使用了一种半导体激光器，它就像一个非常稳定的手电筒。他们将激光器发出的光射入一个被称为参考腔的微型镜箱中，参考腔就像一个微型房间，光在里面跳来跳去。在这个空腔内，一些光的频率与空腔的大小相匹配，这样光波的波峰和波谷就能完全贴合腔壁。这使得光在这些频率上积累功率，用于保持激光频率的稳定。然后，稳定的光通过一种名为"梳频器"的装置转换成微波，这种装置能将高频光转换成低频微波信号。这些精确的微波对导航系统、通信网络和雷达等技术至关重要，因为它们能提供精确的定时和同步。昆兰说："我们的目标是让所有这些部件在一个平台上有效地协同工作，这将大大减少信号的损失，并消除对额外技术的需求。"这个项目的第一阶段是展示所有这些单个部件的协同工作。第二阶段是将它们整合到芯片上。在GPS等导航系统中，信号的精确定时对于确定位置至关重要。在通信网络（如移动电话和互联网系统）中，多个信号的精确定时和同步可确保数据的正确传输和接收。例如，同步信号对于繁忙的蜂窝网络处理多个电话呼叫非常重要。信号在时间上的精确对齐使蜂窝网络能够组织和管理来自多个设备（如您的手机）的数据传输和接收。这可确保多个电话同时通过网络传输，而不会出现严重的延迟或掉线。在用于探测飞机和天气模式等物体的雷达中，精确计时对于准确测量信号反弹所需的时间至关重要。"这项技术有各种各样的应用。例如，对黑洞等遥远天体进行成像的天文学家需要真正的低噪声信号和时钟同步，"昆兰说。"这个项目有助于让这些低噪声信号走出实验室，进入雷达技术人员、天文学家、环境科学家以及所有这些不同领域的人的手中，提高他们测量新事物的灵敏度和能力。"创造这种技术进步并不是单独完成的。来自科罗拉多大学博尔德分校、美国国家航空航天局喷气推进实验室、加州理工学院、加州大学圣巴巴拉分校、弗吉尼亚大学和耶鲁大学的研究人员齐心协力，共同完成了这一共同目标：彻底改变我们利用光和微波进行实际应用的方式。"我喜欢把我们的研究比作一个建筑项目。这里有很多活动部件，你需要确保每个人都协调一致，这样水管工和电工才能在项目的正确时间出现，"昆兰说。"我们大家合作得非常好，保证了项目的顺利进行。这种合作努力凸显了跨学科研究在推动技术进步方面的重要性。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1428672.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1428672.htm

重温爱因斯坦理论：科学家利用光子晶体产生"伪引力"

重温爱因斯坦理论：科学家利用光子晶体产生"伪引力"扭曲光子晶体和光子晶体的概念图。资料来源：K.Kitamuraet.al.爱因斯坦的相对论早已确定，电磁波（包括光和太赫兹电磁波）的轨迹可以被引力场偏转。科学家们最近从理论上预测，通过在低归一化能量（或频率）区域使晶体变形，复制引力效应（即伪引力）是可能的。东北大学大学院工学研究科的KitamuraKyoko教授说："我们开始探索光子晶体的晶格变形是否能产生伪重力效应。"DPC中光束轨迹的实验装置和模拟结果光子晶体的作用光子晶体具有独特的特性，使科学家能够操纵和控制光的行为，成为晶体内光的"交通管制器"。光子晶体的构造是将两种或两种以上不同的材料周期性地排列在一起，这些材料具有不同的与光相互作用和减缓光速的能力，并以有规律的重复模式排列。此外，在光子晶体中还观察到了由于绝热变化而产生的伪重力效应。北村和她的同事通过引入晶格畸变对光子晶体进行了改造：元素间的规则间距逐渐变形，从而破坏了质子晶体的网格状模式。这就操纵了晶体的光子带结构，导致光束在中间出现弯曲轨迹--就像光束经过黑洞等大质量天体一样。实验结果，B端口和C端口之间的传输差清楚地显示了DPC中的光束弯曲。资料来源：K.Kitamuraet.al.实验细节和影响具体来说，科学家们在实验中使用了一种原始晶格常数为200微米的硅扭曲光子晶体和太赫兹波。实验成功证明了这些波的偏转。Kitamura补充说："就像重力使物体的轨迹发生弯曲一样，我们也想出了在某些材料内使光线发生弯曲的方法。这种太赫兹范围内的面内光束转向可用于6G通信。"大阪大学副教授MasayukiFujita说："在学术上，研究结果表明光子晶体可以利用引力效应，为引力子物理学领域开辟了新的道路。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1391051.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1391051.htm

科学家开发出能产生量子纠缠光子网的超薄超表面

科学家开发出能产生量子纠缠光子网的超薄超表面桑迪亚国家实验室和马克斯-普朗克研究所的科学家们已经开发出一种方法，它可以使用比平时简单得多的设置来生产量子纠缠光子网。其关键则是一个厚度只有纸的1/100的精确图案表面，它可以取代一屋子的光学设备。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1316551.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1316551.htm

MIT研究人员开发出微型光子芯片 实现超快激光技术微型化

MIT研究人员开发出微型光子芯片实现超快激光技术微型化激光在日常生活中已相对普遍，但除了在狂欢派对上提供灯光表演和扫描杂货上的条形码外，激光还有很多用途。激光在电信、计算以及生物、化学和物理研究领域也具有重要意义。在后一种应用中，能够发射超短脉冲的激光器尤其有用，这种激光器的脉冲为万亿分之一秒（1皮秒）或更短。利用在如此小的时间尺度上工作的激光，研究人员可以研究极快发生的物理和化学现象--例如，化学反应中分子键的生成或断裂，或者材料内部电子的运动。这些超短脉冲还广泛用于成像应用，因为它们的峰值强度极大，但平均功率较低，因此可以避免加热甚至烧毁生物组织等样本。在《科学》杂志上发表的一篇论文中，加州理工学院电子工程与应用物理学助理教授阿里雷扎-马兰迪（AlirezaMarandi）介绍了他的实验室开发的一种在光子芯片上制造这种激光器（称为锁模激光器）的新方法。这种激光器使用纳米级元件（纳米是十亿分之一米）制造，可以集成到光基电路中，类似于现代电子产品中的电基集成电路。铌酸锂制成的纳米光子锁模激光器发出一束绿色激光。资料来源：加州理工学院马兰迪说："我们感兴趣的不仅仅是让锁模激光器更加紧凑。我们很高兴能在纳米光子芯片上制造出性能良好的锁模激光器，并将其与其他元件结合在一起。到那时，我们就能在集成电路中构建一个完整的超快光子系统。这将把目前属于米级实验的超快科学和技术财富带到毫米级芯片上"。超快激光与诺贝尔奖的认可这类超快激光器对研究工作非常重要，今年的诺贝尔物理学奖授予了三位科学家，以表彰他们开发出能产生阿秒脉冲的激光器（一阿秒等于一秒的五十亿分之一）。然而，这种激光器目前极其昂贵和笨重，马兰迪指出，他的研究正在探索在芯片上实现这种时间尺度的方法，这种芯片可以便宜很多，体积也更小，目的是开发出价格合理、可部署的超快光子技术。他说："这些阿秒级实验几乎都是用超快锁模激光器完成的。其中一些实验的成本可能高达1000万美元，而其中很大一部分就是锁模激光器的成本。我们很高兴能考虑如何在纳米光子学中复制这些实验和功能。"马兰迪实验室开发的纳米光子锁模激光器的核心是铌酸锂，这是一种具有独特光学和电学特性的合成盐，在这种情况下，可以通过应用外部射频电信号来控制和塑造激光脉冲。这种方法被称为腔内相位调制主动锁模。"大约50年前，研究人员在桌面实验中使用腔内相位调制来制造锁模激光器，并认为与其他技术相比，这种方法并不十分合适，"论文第一作者、前马兰迪实验室博士后郭秋实（音译）说。"但我们发现它非常适合我们的集成平台"。"除了体积小巧之外，我们的激光器还表现出一系列引人入胜的特性。例如，我们可以在很宽的范围内精确调节输出脉冲的重复频率。我们可以利用这一点来开发芯片级稳定频率梳状源，这对于频率计量和精密传感来说至关重要，"现任纽约城市大学高级科学研究中心助理教授的郭补充道。未来目标和研究影响马兰迪说，他的目标是继续改进这项技术，使其能够在更短的时间尺度和更高的峰值功率下运行，目标是达到50飞秒（飞秒是十万亿分之一秒），这将是他目前设备的100倍改进，目前设备产生的脉冲长度为4.8皮秒。介绍这项研究的论文题为"纳米光子铌酸锂中的超快锁模激光器"，发表在11月9日的《科学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398911.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398911.htm