摘要：据悉，来自美国哈佛大学、中国北京大学、美国弗吉尼亚大学、麻省理工学院、荷兰特温特大学等国际学校及企业研发团队的科研人员报道了基于高效高速电光转换的集成铌酸锂光子计算电路研究进展。相关论文以“Integrated lithium niobate photonic
长三角G60激光联盟导读
据悉，来自美国哈佛大学、中国北京大学、美国弗吉尼亚大学、麻省理工学院、荷兰特温特大学等国际学校及企业研发团队的科研人员报道了基于高效高速电光转换的集成铌酸锂光子计算电路研究进展。相关论文以“Integrated lithium niobate photonic computing circuit based on efficient and high-speed electro-optic conversion”为题发表在《Nature Communications》上。
人工智能应用的激增对可扩展、高速和低能耗的计算方法提出了需求。光子计算因其固有的并行性、高带宽和低延迟特性而前景广阔。然而，当前的光子计算架构受到与电光转换相关的速度和能耗的限制。在此，科研团队展示了一种薄膜铌酸锂（TFLN）计算电路，它利用高效的电光调制和TFLN光子学的空间可扩展性，成功应对了这一挑战。科研团队的电路能够以每通道438亿次操作/秒（43.8 GOPS/channel）的速度进行计算，同时每操作仅消耗0.0576皮焦耳（pJ/OP）的能量。科研团队演示了各种高精度的推理任务，包括二元数据和复杂图像的分类。通过提高集成度，我们展示了另一个TFLN计算电路，该电路与混合集成的分布式反馈激光器和异质集成的改进型单行载流子光电二极管相结合。研究结果表明，TFLN光子学平台有望在光子计算领域补充硅光子学和衍射光学，并可扩展到超快信号处理和测距应用。
图1：基于薄膜铌酸锂的光子计算加速器。
图2：计算核心的集成薄膜铌酸锂光子电路实现。
图3：基于薄膜铌酸锂的高速高能效光子计算。
图4：光子二元分类。
图5：用于光子神经网络全连接层的光子计算。
图6：混合及异质集成的TFLN光子计算电路。
科研团队的工作提出了一种基于TFLN的光子计算加速架构，能够执行日益复杂的算法任务，从二元分类、手写数字分类到实际图像分类。测试更大的数据集、使用包含更多参数的模型进行计算，以及在计算过程中引入环境干扰，可以进一步评估系统的性能。与专为特定应用（如卷积或视觉任务）设计的架构不同，科研团队的架构非常适合于通用计算任务。该研究实验演示是通过大规模、系统级的TFLN电路实现的。利用TFLN平台，研究在演示中包含了电光（EO）转换过程，来实现高速和低能耗的光子计算。这是通过在不牺牲单个组件高性能的同时，扩大TFLN集成规模来实现的。研究随后通过制造片上探测器并用对接耦合到科研团队TFLN芯片的DFB（分布式反馈）激光器取代台式激光器，进一步改进了该研究的系统。未来，通过将Vπ降低至1V、将带宽增加至100 GHz以及将波导的光传播损耗最小化至0.03 dB/cm（这些指标此前已在TFLN器件中演示），可以直截了当地提升性能指标以匹配或超越最先进的光子加速器。利用多层电容负载和折叠电极的最先进调制器设计可能会进一步提高单位芯片面积的调制效率，从而产生同时具有高成品率的紧凑型EO调制器网络。虽然这些调制器技术的进步主要由光通信技术的需求驱动，但它们可以很容易地被科员团队的光子计算架构等采用，并产生积极影响。将加速器过渡到可见光波长可能进一步降低能耗并提高可扩展性，通过采用亚伏特级TFLN调制器实现，此类调制器长度也可能更短。利用TFLN孤子微梳的频率自由度可以扩展其在光子卷积加速方面的适用性。各种光学封装方法，包括光子线键合，可以提高光耦合到芯片的稳定性，这可能使得即使在存在环境干扰的情况下也能进行精确计算。
值得注意的是，该研究解决光子计算中电光转换挑战的方法与其他光子加速器兼容。因此，科研团队的工作可能会激励新颖的混合方法（例如，将TFLN电光转换与自由空间光学相结合），这些方法需要高带宽和低功率调制来进行数据编码。TFLN因其卓越的电光转换能力而成为完成此任务的最强大平台，从而有潜力克服各种光学计算方案中现有的速度和能源瓶颈。虽然由于测试设备有限，科研团队未能同时运行计算电路的所有通道而仅对其进行了单独测试，但相邻TFLN调制器之间潜在串扰的相关挑战最近已被实验证明不会产生影响。此外，通过利用新兴的横向和3D集成策略，特别是与高速电子电路（包括多通道DAC、ADC和FPGA）的集成来利用空间复用能力，可以释放该平台的全部潜力。在此背景下，不仅要了解新型电子器件的能耗，还要了解其估算中的不确定性，这对于准确规划TFLN光子学用于计算的前进道路至关重要。更广泛地说，科研团队相信，与此处演示的类似的大规模TFLN电路可能在视觉、传感、测距甚至量子计算等应用中具有巨大潜力，科研团队希望该研究工作将激发对此类应用的进一步探索。
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长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟