Ερευνητές αναπτύσσουν τσιπ μικροκυματικής φωτονικής επεξεργασίας σήματος υπερταχείας

Πρόσφατα, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Wang Cheng του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών του City University του Χονγκ Κονγκ ανέπτυξε με επιτυχία ένα παγκοσμίως κορυφαίο τσιπ φωτονικής μικροκυμάτων (MWP). Αυτό το τσιπ είναι σε θέση να χρησιμοποιήσει την οπτική αρχή για να πραγματοποιήσει εξαιρετικά γρήγορη αναλογική επεξεργασία και υπολογισμό ηλεκτρονικού σήματος.
Το τσιπ δεν είναι μόνο 1000 φορές ταχύτερο από τους συμβατικούς ηλεκτρονικούς επεξεργαστές, αλλά καταναλώνει και λιγότερη ενέργεια. Το ευρύ φάσμα των εφαρμογών του καλύπτει ποικίλους τομείς όπως συστήματα ασύρματης επικοινωνίας 5/6G, συστήματα ραντάρ υψηλής ανάλυσης, τεχνητή νοημοσύνη, όραση υπολογιστή και επεξεργασία εικόνας/βίντεο.
Η ομάδα συνεργάστηκε με το Κινεζικό Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ στην έρευνα, η οποία δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature, με τίτλο Integrated Lithium Niobate Microwave Photonic Processing Engine.
Με την ταχεία επέκταση των ασύρματων δικτύων, του Διαδικτύου των Πραγμάτων (IoT) και των υπηρεσιών που βασίζονται σε σύννεφο, η ζήτηση για υποκείμενα συστήματα ραδιοσυχνοτήτων έχει αυξηθεί εκθετικά. Η τεχνολογία φωτονικής μικροκυμάτων (MWP) προσφέρει μια αποτελεσματική λύση σε αυτές τις προκλήσεις με τα μοναδικά πλεονεκτήματα της παραγωγής, μετάδοσης και επεξεργασίας σημάτων μικροκυμάτων με τη χρήση οπτικών στοιχείων. Ωστόσο, τα ολοκληρωμένα συστήματα MWP αντιμετωπίζουν πολλαπλές προκλήσεις, όπως η ταυτόχρονη υλοποίηση εξαιρετικά υψηλής ταχύτητας επεξεργασίας αναλογικού σήματος, η ενσωμάτωση σε κλίμακα chip, η υψηλή πιστότητα και η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.
Για να αντιμετωπίσει αυτές τις προκλήσεις, η ερευνητική ομάδα του καθηγητή Wang Cheng ανέπτυξε ένα νέο σύστημα MWP. Το σύστημα ενσωματώνει καινοτόμα την εξαιρετικά γρήγορη ηλεκτρο-οπτική μετατροπή (EO) με πολυλειτουργική επεξεργασία σήματος χαμηλών απωλειών σε ένα μόνο τσιπ, ένα επίτευγμα που δεν είχε πραγματοποιηθεί ποτέ σε προηγούμενη έρευνα.
Αυτή η εξαιρετική απόδοση καθίσταται δυνατή από έναν ενσωματωμένο κινητήρα επεξεργασίας MWP που βασίζεται σε μια πλατφόρμα νιοβάτη λιθίου (LN) λεπτής μεμβράνης. Αυτός ο κινητήρας είναι σε θέση να εκτελεί ένα ευρύ φάσμα αναλογικών επεξεργασιών σήματος και υπολογιστικών εργασιών. Σύμφωνα με την έκθεση, αυτό το τσιπ όχι μόνο έχει εξαιρετικά ευρύ εύρος ζώνης επεξεργασίας 67 GHz, αλλά έχει επίσης εξαιρετική υπολογιστική ακρίβεια.
Με τα χρόνια, η ομάδα εργάζεται στην έρευνα ολοκληρωμένων φωτονικών πλατφορμών LN. Αξίζει να αναφερθεί ότι το 2018, συνάδελφοι στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και τα Nokia Bell Labs ανέπτυξαν τον πρώτο στον κόσμο ολοκληρωμένο ηλεκτροοπτικό διαμορφωτή συμβατό με CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) σε μια πλατφόρμα νιοβάτη λιθίου (LN) λεπτής μεμβράνης, η οποία τοποθετούσε μια συμπαγή βάση για την τρέχουσα ερευνητική ανακάλυψη. Το νιοβικό λίθιο λεπτής μεμβράνης (LN) έχει ονομαστεί «πυρίτιο της φωτονικής» λόγω της σημασίας του στον τομέα της φωτονικής, το οποίο είναι συγκρίσιμο με το πυρίτιο στη μικροηλεκτρονική.
Αυτή η εργασία όχι μόνο ανοίγει ένα εντελώς νέο πεδίο έρευνας - φωτονική μικροκυμάτων νιοβικού λιθίου λεπτής μεμβράνης (LN), αλλά επιτρέπει επίσης τσιπ φωτονικής μικροκυμάτων με συμπαγές μέγεθος, υψηλή πιστότητα σήματος και χαμηλή καθυστέρηση, μεταξύ άλλων πλεονεκτημάτων. Το πιο σημαντικό είναι ότι αυτή η ανακάλυψη αντιπροσωπεύει μια νέα κατεύθυνση για αναλογικές ηλεκτρονικές μηχανές επεξεργασίας και υπολογισμού κλίμακας τσιπ.