光芯片應(yīng)用不僅局限于人工智能

12月18日-20日，2020網(wǎng)易未來大會(huì)在杭州盛大舉行。大會(huì)以“洞覺未見”為主題，匯聚了全球最強(qiáng)大腦，期盼以遠(yuǎn)見超越未見，去尋找打開未來的鑰匙。

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(dá)、傳感、圖像分析上面有獨(dú)一無二的優(yōu)勢。

劉駿秋進(jìn)一步解釋，光芯片速率可以達(dá)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?yàn)楣庠趥鞑ブ胁粫?huì)產(chǎn)生任何熱效應(yīng)，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(duì)于光芯片的應(yīng)用，劉駿秋說，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(zhǔn)、微波生成。甚至可以做中紅外雙輸光譜，用來測量氣體當(dāng)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(jié)構(gòu)，最后可以用在數(shù)據(jù)中心上做開關(guān)，進(jìn)行數(shù)據(jù)上面的調(diào)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，未來有可能近期加入南方科技大學(xué)，在國內(nèi)做一些氮化硅光芯片方面的研究。首先感謝網(wǎng)易未來大會(huì)邀請(qǐng)我來，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(bào)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，說一下人工智能算法的加速。

首先簡單介紹一下什么是光芯片。大家可能對(duì)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(dá)、傳感、圖像分析上面有獨(dú)一無二的優(yōu)勢。

左下角看到一個(gè)表格，比較了電芯片和光芯片表現(xiàn)下的區(qū)別。光芯片速率可以達(dá)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?yàn)楣庠趥鞑ブ胁粫?huì)產(chǎn)生任何熱效應(yīng)，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(gòu)，可以看出光芯片系統(tǒng)比電芯片系統(tǒng)復(fù)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。可以看出光芯片非常復(fù)雜，作為一個(gè)研究組，很少有人能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)。

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(xù)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(yán)格用數(shù)學(xué)表達(dá)式來表示，所以每根梳尺我們知道它的頻率，同時(shí)可以嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)上面有廣泛應(yīng)用。

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

第一臺(tái)頻率梳它在上世紀(jì)90年代被研制成功的，經(jīng)過20年的發(fā)展，現(xiàn)在頻率梳基本可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。用戶可以購買這樣一個(gè)成熟的商業(yè)平臺(tái)，每個(gè)平臺(tái)的售價(jià)大概在30萬歐元，還是非常昂貴的。

現(xiàn)如今，頻率梳的技術(shù)發(fā)展向著小型化、集成化方向發(fā)展，把成本降低，更多用戶可以享受這個(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(xiàn)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(jī)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(qiáng)，通過光與物質(zhì)的相互作用，我們可以通過克爾非線性產(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(yán)格滿足頻率梳的表達(dá)式，所以這個(gè)頻率梳就被稱為“光芯片集成的頻率梳光源”。

當(dāng)構(gòu)建光芯片的時(shí)候，必須要考慮到，第一點(diǎn)用什么材料構(gòu)建它的當(dāng)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(diào)制器，也可以用作光點(diǎn)探測器，但是硅沒有直接的代系（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(xiàn)氮化硅是一個(gè)損耗非常低的材料。

光損耗對(duì)于一切光學(xué)研究來講是最核心的指標(biāo)參量，它對(duì)構(gòu)建非線性的元件，比如說激光器、探測器，復(fù)雜的線行網(wǎng)絡(luò)來非常重要的。復(fù)雜的線行網(wǎng)絡(luò)，我說的是激光雷達(dá)、光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者是量子計(jì)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(dǎo)體的，集成光學(xué)的發(fā)展現(xiàn)在是多元化，復(fù)雜化的趨勢。

我簡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(duì)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(dāng)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(dāng)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(xiàng)工藝，目前可以得到所有集成光芯片當(dāng)中最低的光損耗。

在工藝的過程當(dāng)中，我們用到非常成熟的半導(dǎo)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(duì)于所有的，我之前提到過光的損耗對(duì)于光器件來講是非常重要的，目前最低的光損耗是在光纖當(dāng)中實(shí)現(xiàn)，它的損耗大概是0.2dB/km，非常低，這里我們要感謝高坤，因?yàn)闆]有他的貢獻(xiàn)，我們無法享受到全球光通信的技術(shù)。那么在集成光學(xué)當(dāng)中，目前波導(dǎo)商業(yè)的硅波導(dǎo)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(dǎo)目前也發(fā)展超過十年，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(biāo)識(shí)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(wěn)步的增長，也預(yù)示著這個(gè)技術(shù)現(xiàn)在是逐漸的商業(yè)化。我們也是通過對(duì)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(tǒng)計(jì)的分析，可以發(fā)現(xiàn)我們的損耗真的是可以達(dá)到1dB/m，這樣非常低的損耗。利用這項(xiàng)氮化硅技術(shù)，我們也做了很多環(huán)形的微腔，根據(jù)需求可以把不同大小環(huán)形微腔，在不同應(yīng)用上扮演著不同的角色。比方說10g左右的光學(xué)微腔，可以用來生成微波。10g-50g可以用來做天體光譜儀的校準(zhǔn)。50g-100g可以用來做光通鏡，100g以上可以做毫米波的生成。同時(shí)我們也做了非常復(fù)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米長的波導(dǎo)，這樣的話可以利用這個(gè)長波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)一些特殊的量子光源糾纏態(tài)的制備、量子計(jì)算或者光研制線等一系列相關(guān)的應(yīng)用。

利用氮化硅環(huán)形微腔，我們可以做重復(fù)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(dá)到超過300個(gè)通道，也就是說這300個(gè)通道都用來作為通信上編碼，所以整個(gè)光源可以用來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，接下來我們就需要對(duì)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(diào)制器，我們使用的是壓電材料氮化鋁的聲光調(diào)制器。在光芯片上有很多這樣的調(diào)制器，尤其是對(duì)氮化硅這樣沒有二級(jí)非線性材料來講，一般需要用到電光調(diào)制器，會(huì)用到石墨烯或者二維材料做調(diào)制，還有熱調(diào)制。這些調(diào)制器或多或少都有技術(shù)上的缺陷，比如它的工藝流程過于復(fù)雜、技術(shù)不夠成熟、或者損耗過大，或者調(diào)制速度過慢。近年來一個(gè)趨勢，使用壓電材料來做調(diào)制器，壓電材料是在微機(jī)電系統(tǒng)當(dāng)中有非常普通的應(yīng)用。在這里，壓電材料調(diào)制基本上基于兩種：一種是改變幾何構(gòu)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(gòu)型，從而改變光傳播的時(shí)間。二是通過壓光效應(yīng)，壓光效應(yīng)就是說施加了電壓，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。通過壓光調(diào)制器可以達(dá)到很高的調(diào)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(jī)制放在所有的集成光芯片使用上。

我簡單說一下我們使用的壓電材料氮化鋁，氮化鋁是一種廣泛應(yīng)用于微機(jī)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(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)體聲波，體聲波本質(zhì)上來講就是生子在薄膜內(nèi)部的駐波信號(hào)。它的聲波頻率是跟薄膜厚度，生子在薄膜當(dāng)中升速是相關(guān)的。當(dāng)你去掃頻時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)特征的傳輸曲線，這個(gè)傳輸曲線就是說有共振線和非共振線，一個(gè)決定就是能量直接從薄膜當(dāng)中穿過，另外是電能轉(zhuǎn)化成薄膜內(nèi)聲波能量。

當(dāng)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(hào)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(jī)，你們手機(jī)當(dāng)中都有4-8個(gè)這樣的元件用來接受WIFI信號(hào)，這項(xiàng)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(shù)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，用它來做集成的聲光調(diào)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(yuǎn)，這樣的話我們的低損耗得以維持。

我們的實(shí)驗(yàn)機(jī)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(diào)制，同時(shí)去調(diào)制每一根由種子源產(chǎn)生的頻率梳的每根梳齒，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)每一根頻率梳的每根梳齒，或者編碼通道的調(diào)制。我們也測試了調(diào)制速率和調(diào)制的能量。

我這里展示了氮化硅集成光源和調(diào)制的能力，我們利用這兩個(gè)簡單的功能，接下來實(shí)現(xiàn)很多應(yīng)用。由于今天我們說的是人工智能，我說兩個(gè)關(guān)于人工智能方面的應(yīng)用。第一個(gè)人工智能應(yīng)用就是說激光雷達(dá)，我們在這里做的是相干激光雷達(dá)，F(xiàn)MCW。相干激光雷達(dá)不僅可以測量物體與你的距離，同時(shí)可以測量物體運(yùn)動(dòng)的速度。這里它的機(jī)制是利用三角波調(diào)制信號(hào)，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(hào)，然后將出射信號(hào)和反射信號(hào)做一個(gè)拍平，這樣的話可以得到兩個(gè)參量，F(xiàn)U和FD。你根據(jù)這兩個(gè)參量，可以還原反射信號(hào)波形圖，將反射信號(hào)與出射信號(hào)作對(duì)比會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)參量不一樣，第一個(gè)參量對(duì)應(yīng)時(shí)間的延遲，我們知道光速，根據(jù)時(shí)間的延遲可以計(jì)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(duì)應(yīng)的是多普勒，由多普勒效應(yīng)造成的。你知道當(dāng)你的汽車開在高速公路上，為什么交警可以立刻探測到汽車運(yùn)動(dòng)的速度呢，其實(shí)這里就是用到多普勒雷達(dá)的功能。利用多普勒效應(yīng)，我們可以知道物體移動(dòng)的速度。

當(dāng)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(diào)制，可以同時(shí)產(chǎn)生數(shù)十根或者數(shù)百根激光雷達(dá)，我們利用色散的元件可以將激光雷達(dá)分發(fā)到相對(duì)的廣角，可以進(jìn)行平行多通道，一個(gè)廣角的激光雷達(dá)測距功能。我們其實(shí)同時(shí)去調(diào)制激光器和頻率梳，可以做到調(diào)制過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?qū)嶒?yàn)，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)場景應(yīng)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(fù)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，通過對(duì)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(dāng)中。由光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來處理輸入信號(hào)，然后在光學(xué)層面上處理輸入信號(hào)，然后轉(zhuǎn)化成輸出信號(hào)。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(yīng)用，在這里我們實(shí)際上去求解矩形的矩陣，然后做了浮雕過濾器的應(yīng)用。所謂浮雕過濾器的應(yīng)用，你把一個(gè)圖像信號(hào)輸入到系統(tǒng)當(dāng)中，然后經(jīng)過浮雕過濾器，它會(huì)強(qiáng)化高頻信號(hào)、低頻信號(hào)，通過浮雕過濾器可以強(qiáng)化邊緣。在這里看一輛小汽車，原來圖片的車燈，可能看不到內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。但經(jīng)過浮雕處理器可以看到新的圖像當(dāng)中，把車燈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(xí)這方面的應(yīng)用。

其實(shí)光芯片有更多的應(yīng)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(zhǔn)、微波生成。甚至我們可以做中紅外雙輸光譜，用來測量氣體當(dāng)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(jié)構(gòu)，最后可以用在數(shù)據(jù)中心上做開關(guān)，進(jìn)行數(shù)據(jù)上面的調(diào)控。

好，謝謝大家！

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