光芯片應用不僅局限于人工智能

12月18日-20日，2020網(wǎng)易未來(lái)大會(huì )在杭州盛大舉行。大會(huì )以“洞覺(jué)未見(jiàn)”為主題，匯聚了全球最強大腦，期盼以遠見(jiàn)超越未見(jiàn)，去尋找打開(kāi)未來(lái)的鑰匙。

大會(huì )上，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院博士劉駿秋在《光芯片技術(shù)和人工智能》主題演講時(shí)表示，電芯片本質(zhì)上在芯片的尺度上利用電子來(lái)生成處理和傳輸信息；光芯片就是把電子換成光子，在芯片的尺度上用光子生成和處理、傳輸信息。與電芯片相比，光芯片在諸多領(lǐng)域，通訊、激光雷達、傳感、圖像分析上面有獨一無(wú)二的優(yōu)勢。

劉駿秋進(jìn)一步解釋?zhuān)庑酒俾士梢赃_到100G，比電芯片快很多，這樣可以在光的通道上面做更多信息的編碼，它可以承載更多的信息，同時(shí)功耗比電芯片更小。因為光在傳播中不會(huì )產(chǎn)生任何熱效應，這和電子不一樣，還有光和光之間不會(huì )有相互作用，不會(huì )受背景的電磁干擾。

對于光芯片的應用，劉駿秋說(shuō)，不僅局限于人工智能。還用它做微波濾波器、毫米波生成、天體光譜儀校準、微波生成。甚至可以做中紅外雙輸光譜，用來(lái)測量氣體當中的成分?？梢宰龉鈱W(xué)相關(guān)斷層掃描，可以看生物組織的結構，最后可以用在數據中心上做開(kāi)關(guān)，進(jìn)行數據上面的調控。

以下為劉駿秋演講實(shí)錄：

大家好，我是劉駿秋。我在瑞士洛桑聯(lián)邦理工從事光芯片研發(fā)的工作，未來(lái)有可能近期加入南方科技大學(xué)，在國內做一些氮化硅光芯片方面的研究。首先感謝網(wǎng)易未來(lái)大會(huì )邀請我來(lái)，給大家介紹一下我的研究工作。

我們這個(gè)名字叫“人工智能”，我研究的是光芯片和頻率梳技術(shù)，所以我今天報告的題目是“光芯片、頻率梳和人工智能”。我們知道人工智能在算法、商業(yè)上面有很多優(yōu)勢，很多嘉賓提到了。我從芯片角度，說(shuō)一下人工智能算法的加速。

首先簡(jiǎn)單介紹一下什么是光芯片。大家可能對電芯片非常了解，電芯片本質(zhì)上在芯片的尺度上利用電子來(lái)生成處理和傳輸信息；光芯片就是把電子換成光子，在芯片的尺度上用光子生成和處理、傳輸信息。

與電芯片相比，光芯片在諸多領(lǐng)域，通訊、激光雷達、傳感、圖像分析上面有獨一無(wú)二的優(yōu)勢。

左下角看到一個(gè)表格，比較了電芯片和光芯片表現下的區別。光芯片速率可以達到100G，比電芯片快很多，這樣你可以在光的通道上面做更多信息的編碼，它可以承載更多的信息，同時(shí)功耗比電芯片更小。因為光在傳播中不會(huì )產(chǎn)生任何熱效應，這和電子部一樣，還有光和光之間不會(huì )有相互作用，不會(huì )受背景的電磁干擾。

這是一個(gè)光芯片的架構，可以看出光芯片系統比電芯片系統復雜很多，里面有光源、處理器、探測器，經(jīng)常也會(huì )需要用到各種材料之間集成的協(xié)同作用?？梢钥闯龉庑酒浅碗s，作為一個(gè)研究組，很少有人能夠對整個(gè)系統進(jìn)行架構。

我們最早是研究芯片集成的寬帶光源作為起點(diǎn)的，這里我們需要得到一個(gè)相關(guān)多通道的多寬帶光源。

其實(shí)我們本質(zhì)上得到的光源是頻率梳，頻率梳就是一個(gè)寬帶光源，它由一根根連續光梳尺組成，每一根梳尺之間的頻率差都是恒定的。所以每根梳尺它都可以嚴格用數學(xué)表達式來(lái)表示，所以每根梳尺我們知道它的頻率，同時(shí)可以嚴格控制下，因此頻率梳是測量時(shí)間和頻率的尺子。在光譜學(xué)、精密測量和時(shí)間標準上面有廣泛應用。

正因如此，2005年諾貝爾物理學(xué)獎的一半就被授予了兩位科學(xué)家。

第一臺頻率梳它在上世紀90年代被研制成功的，經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，現在頻率梳基本可以實(shí)現商業(yè)化。用戶(hù)可以購買(mǎi)這樣一個(gè)成熟的商業(yè)平臺，每個(gè)平臺的售價(jià)大概在30萬(wàn)歐元，還是非常昂貴的。

現如今，頻率梳的技術(shù)發(fā)展向著(zhù)小型化、集成化方向發(fā)展，把成本降低，更多用戶(hù)可以享受這個(gè)技術(shù)，并把這個(gè)技術(shù)用在很多領(lǐng)域里面。

要實(shí)現這樣的技術(shù)，我們需要用到微箱集成的頻率梳技術(shù)（音），這里我們需要用到光芯片集成的技術(shù)。

我們產(chǎn)生頻率梳的機制，將光耦合進(jìn)光學(xué)微腔里面，光學(xué)微腔具有體積小、品質(zhì)因子高等特點(diǎn)，光在微腔里面會(huì )極大的增強，通過(guò)光與物質(zhì)的相互作用，我們可以通過(guò)克爾非線(xiàn)性產(chǎn)生四波混頻，就是你輸入一束光，就會(huì )產(chǎn)生非常多的新的光頻率作為出射光。由于動(dòng)量和能量守恒，每一束光的頻率都嚴格滿(mǎn)足頻率梳的表達式，所以這個(gè)頻率梳就被稱(chēng)為“光芯片集成的頻率梳光源”。

當構建光芯片的時(shí)候，必須要考慮到，第一點(diǎn)用什么材料構建它的當下最主流的三種材料，硅、氮化硅和磷化銦。硅一般用作集成的高速的調制器，也可以用作光點(diǎn)探測器，但是硅沒(méi)有直接的代系（音），所以不能用硅做激光器，這時(shí)間需要用到磷化銦這個(gè)材料，但是硅和磷化銦它們兩都有一個(gè)問(wèn)題，就是材料的損耗非常大，這時(shí)候比較一下你會(huì )發(fā)現氮化硅是一個(gè)損耗非常低的材料。

光損耗對于一切光學(xué)研究來(lái)講是最核心的指標參量，它對構建非線(xiàn)性的元件，比如說(shuō)激光器、探測器，復雜的線(xiàn)行網(wǎng)絡(luò )來(lái)非常重要的。復雜的線(xiàn)行網(wǎng)絡(luò )，我說(shuō)的是激光雷達、光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )或者是量子計算。

目前集成光學(xué)的發(fā)展趨勢有很多新的材料加入，氮化硅、二氧化硅、氮化鋁、鈮酸鋰、碳化硅、高折射率玻璃、氧化鉭、鋁鎵砷、磷化鎵、氮化鎵，這里面很多材料是屬于第三代半導體的，集成光學(xué)的發(fā)展現在是多元化，復雜化的趨勢。

我簡(jiǎn)單介紹一下我們做氮化硅超低損耗微納加工的一些技術(shù)。

在這里我們用到一個(gè)技術(shù)叫做氮化硅光子大馬士革工藝。大馬士革工藝是非常古老的工藝，最早可以追溯到阿拉伯人對他們的武器和裝飾上面做顏色的鑲嵌和繪圖。這個(gè)工藝本質(zhì)上就是先做圖形，然后你把顏色料材料鑲嵌到材料當中做一個(gè)拋光，這樣有了繪圖。

這個(gè)思想被用在早期的電子電路制造上面。在我們的研究當中，我們把氮化硅、大馬士革工藝用到氮化硅集成光路制造上面，利用這項工藝，目前可以得到所有集成光芯片當中最低的光損耗。

在工藝的過(guò)程當中，我們用到非常成熟的半導體微納加工技術(shù)等。所有這些工藝流程都是在我們大學(xué)完成的。

那么對于所有的，我之前提到過(guò)光的損耗對于光器件來(lái)講是非常重要的，目前最低的光損耗是在光纖當中實(shí)現，它的損耗大概是0.2dB/km，非常低，這里我們要感謝高坤，因為沒(méi)有他的貢獻，我們無(wú)法享受到全球光通信的技術(shù)。那么在集成光學(xué)當中，目前波導商業(yè)的硅波導損耗是dB/cm，我們的氮化硅可以做到0.01個(gè)dB/cm，就是比這些材料要好2倍以上。

我們回顧一下最近氮化硅發(fā)展的歷程，氮化硅集成波導目前也發(fā)展超過(guò)十年，最早是哥倫比亞大學(xué)的米哈森教授研發(fā)成功的。這里我標識的品質(zhì)因素，品質(zhì)因素越高，光的損耗越低。可以看到氮化硅的品質(zhì)因素是穩步的增長(cháng)，也預示著(zhù)這個(gè)技術(shù)現在是逐漸的商業(yè)化。我們也是通過(guò)對工藝不斷的優(yōu)化，然后測量我們的芯片樣本，做了一個(gè)統計的分析，可以發(fā)現我們的損耗真的是可以達到1dB/m，這樣非常低的損耗。利用這項氮化硅技術(shù)，我們也做了很多環(huán)形的微腔，根據需求可以把不同大小環(huán)形微腔，在不同應用上扮演著(zhù)不同的角色。比方說(shuō)10g左右的光學(xué)微腔，可以用來(lái)生成微波。10g-50g可以用來(lái)做天體光譜儀的校準。50g-100g可以用來(lái)做光通鏡，100g以上可以做毫米波的生成。同時(shí)我們也做了非常復雜，非常密集的光的集成網(wǎng)絡(luò )，我們可以看到在5毫米×5毫米的光芯片上，放了將近1米長(cháng)的波導，這樣的話(huà)可以利用這個(gè)長(cháng)波導來(lái)實(shí)現一些特殊的量子光源糾纏態(tài)的制備、量子計算或者光研制線(xiàn)等一系列相關(guān)的應用。

利用氮化硅環(huán)形微腔，我們可以做重復頻率比較高的微梳。我們送進(jìn)去一束光，在出射端得到很多很多束光的通道。在這里可以看到2個(gè)箭頭之間，下面的2個(gè)箭頭之間可以達到超過(guò)300個(gè)通道，也就是說(shuō)這300個(gè)通道都用來(lái)作為通信上編碼，所以整個(gè)光源可以用來(lái)作為非常高效的通信種子源。

我們有了這樣的光頻梳，同時(shí)可以產(chǎn)生這么多通道，接下來(lái)我們就需要對每個(gè)通道進(jìn)行光路傳輸。在這里我們需要用到片上的集成調制器，我們使用的是壓電材料氮化鋁的聲光調制器。在光芯片上有很多這樣的調制器，尤其是對氮化硅這樣沒(méi)有二級非線(xiàn)性材料來(lái)講，一般需要用到電光調制器，會(huì )用到石墨烯或者二維材料做調制，還有熱調制。這些調制器或多或少都有技術(shù)上的缺陷，比如它的工藝流程過(guò)于復雜、技術(shù)不夠成熟、或者損耗過(guò)大，或者調制速度過(guò)慢。近年來(lái)一個(gè)趨勢，使用壓電材料來(lái)做調制器，壓電材料是在微機電系統當中有非常普通的應用。在這里，壓電材料調制基本上基于兩種：一種是改變幾何構型，在壓電材料上施加電壓，會(huì )在襯底之間產(chǎn)生張力，張力就會(huì )改變儀器的幾何構型，從而改變光傳播的時(shí)間。二是通過(guò)壓光效應，壓光效應就是說(shuō)施加了電壓，在襯底上會(huì )直接產(chǎn)生這樣的壓力，壓力會(huì )直接改變材料的折射率。通過(guò)壓光調制器可以達到很高的調制速率，同時(shí)它不限制于任何的襯底，所以可以把這個(gè)機制放在所有的集成光芯片使用上。

我簡(jiǎn)單說(shuō)一下我們使用的壓電材料氮化鋁，氮化鋁是一種廣泛應用于微機電體系中的壓電材料。你在氮化鋁上下表面施加一個(gè)交流電的時(shí)候，由于氮化鋁在電壓的作用下會(huì )舒張或者收縮，它就可以在薄膜內部產(chǎn)生一個(gè)體聲波，體聲波本質(zhì)上來(lái)講就是生子在薄膜內部的駐波信號。它的聲波頻率是跟薄膜厚度，生子在薄膜當中升速是相關(guān)的。當你去掃頻時(shí)會(huì )發(fā)現這樣一個(gè)特征的傳輸曲線(xiàn)，這個(gè)傳輸曲線(xiàn)就是說(shuō)有共振線(xiàn)和非共振線(xiàn)，一個(gè)決定就是能量直接從薄膜當中穿過(guò)，另外是電能轉化成薄膜內聲波能量。

當你把這樣幾個(gè)氮化鋁集成波放在一起就會(huì )產(chǎn)生射頻，信號寬帶的濾波器，這個(gè)技術(shù)是我們身邊的技術(shù)，你們每一個(gè)人拿出手機，你們手機當中都有4-8個(gè)這樣的元件用來(lái)接受WIFI信號，這項技術(shù)每年有幾百億每年的市值，一些大公司每年都會(huì )產(chǎn)生數十億這樣的單元。我們的工藝上就是將氮化鋁壓電材料放在氮化硅集成光芯片上，用它來(lái)做集成的聲光調制。這里可以看到樣品的截面圖，可以看到氮化鋁完全覆蓋了氮化硅的光路，同時(shí)我們的光的傳播也離金屬很遠，這樣的話(huà)我們的低損耗得以維持。

我們的實(shí)驗機制是將一束光耦合成光學(xué)微腔里，通和施加外部氮化鋁升光調制，同時(shí)去調制每一根由種子源產(chǎn)生的頻率梳的每根梳齒，就實(shí)現了對每一根頻率梳的每根梳齒，或者編碼通道的調制。我們也測試了調制速率和調制的能量。

我這里展示了氮化硅集成光源和調制的能力，我們利用這兩個(gè)簡(jiǎn)單的功能，接下來(lái)實(shí)現很多應用。由于今天我們說(shuō)的是人工智能，我說(shuō)兩個(gè)關(guān)于人工智能方面的應用。第一個(gè)人工智能應用就是說(shuō)激光雷達，我們在這里做的是相干激光雷達，FMCW。相干激光雷達不僅可以測量物體與你的距離，同時(shí)可以測量物體運動(dòng)的速度。這里它的機制是利用三角波調制信號，把它發(fā)送到移動(dòng)物體上，這時(shí)候你去探測從物體上反射的信號，然后將出射信號和反射信號做一個(gè)拍平，這樣的話(huà)可以得到兩個(gè)參量，FU和FD。你根據這兩個(gè)參量，可以還原反射信號波形圖，將反射信號與出射信號作對比會(huì )發(fā)現兩個(gè)參量不一樣，第一個(gè)參量對應時(shí)間的延遲，我們知道光速，根據時(shí)間的延遲可以計算物體與你的距離；第二個(gè)參量是頻率的變化，頻率的變化對應的是多普勒，由多普勒效應造成的。你知道當你的汽車(chē)開(kāi)在高速公路上，為什么交警可以立刻探測到汽車(chē)運動(dòng)的速度呢，其實(shí)這里就是用到多普勒雷達的功能。利用多普勒效應，我們可以知道物體移動(dòng)的速度。

當我們用頻率梳這樣的技術(shù)時(shí)，由于頻率梳具有多通道優(yōu)勢，每根通道進(jìn)行調制，可以同時(shí)產(chǎn)生數十根或者數百根激光雷達，我們利用色散的元件可以將激光雷達分發(fā)到相對的廣角，可以進(jìn)行平行多通道，一個(gè)廣角的激光雷達測距功能。我們其實(shí)同時(shí)去調制激光器和頻率梳，可以做到調制過(guò)程中不改變光源的波形圖，也利用這樣一個(gè)技術(shù)做了一個(gè)測序實(shí)驗，這個(gè)工作也是以封面的形式發(fā)表在近期的《自然》雜志上。

做的第二個(gè)場(chǎng)景應用，就是做一個(gè)光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，這里還是用到氮化硅。在氮化硅這里用到兩個(gè)功能，第一個(gè)氮化硅還是用來(lái)做頻率梳，作為光源。第二個(gè)氮化硅，就像我之前提到的，在這里做了4×4復雜的光矩形網(wǎng)絡(luò )。在這里我們這個(gè)工作是與牛津大學(xué)和德國的明思特大學(xué)合作，通過(guò)對每個(gè)光頻梳信道進(jìn)行編碼，將它送到光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )當中。由光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )來(lái)處理輸入信號，然后在光學(xué)層面上處理輸入信號，然后轉化成輸出信號。我們利用光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )做了一個(gè)張量，做了一個(gè)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )應用，在這里我們實(shí)際上去求解矩形的矩陣，然后做了浮雕過(guò)濾器的應用。所謂浮雕過(guò)濾器的應用，你把一個(gè)圖像信號輸入到系統當中，然后經(jīng)過(guò)浮雕過(guò)濾器，它會(huì )強化高頻信號、低頻信號，通過(guò)浮雕過(guò)濾器可以強化邊緣。在這里看一輛小汽車(chē)，原來(lái)圖片的車(chē)燈，可能看不到內部的結構。但經(jīng)過(guò)浮雕處理器可以看到新的圖像當中，把車(chē)燈的內部結構強化了，證明了氮化硅在集成光芯片，可以在光學(xué)層面上做光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、做深度學(xué)習這方面的應用。

其實(shí)光芯片有更多的應用，不僅僅局限于人工智能這方面。我們還用它做微波濾波器、毫米波生成、天體光譜儀校準、微波生成。甚至我們可以做中紅外雙輸光譜，用來(lái)測量氣體當中的成分。我們可以做光學(xué)相關(guān)斷層掃描，可以看生物組織的結構，最后可以用在數據中心上做開(kāi)關(guān)，進(jìn)行數據上面的調控。

好，謝謝大家！

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