瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院劉俊秋博士在《光芯片技術(shù)和人工智能》的主題演講中表示，電子芯片本質(zhì)上是利用電子在芯片規(guī)模上產(chǎn)生、處理和傳輸信息；光學(xué)芯片用光子代替電子，并在芯片規(guī)模上使用光子。生成、處理和傳輸信息。與電子芯片相比，光學(xué)芯片在通信、激光雷達、傳感、圖像分析等多個領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢。

劉俊秋進一步解釋說，光芯片的速度可以達到100G，比電芯片快很多。這允許在光通道上編碼更多信息。與電子芯片相比，它可以攜帶更多的信息并且消耗更少的功率。由于光在傳播過程中不會產(chǎn)生任何熱效應(yīng)，與電子不同，光與光之間不存在相互作用，也不受背景電磁干擾。

對于光學(xué)芯片的應(yīng)用，劉俊秋表示，不僅限于人工智能。它還用于微波濾波器、毫米波生成、天體光譜儀校準(zhǔn)和微波生成。您甚至可以進行中紅外雙輸入光譜來測量氣體的成分。可以進行光學(xué)相關(guān)斷層掃描來查看生物組織的結(jié)構(gòu)。最后，它可以用作數(shù)據(jù)中心中的交換機來控制數(shù)據(jù)。

以下為劉俊秋講話實錄：

大家好，我叫劉俊秋。我在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院從事光學(xué)芯片的研發(fā)工作。不久的將來我可能會加入南方科技大學(xué)，在中國做一些氮化硅光學(xué)芯片的研究。首先感謝網(wǎng)易未來大會邀請我來向大家介紹我的研究工作。

我們的名字是人工智能。我研究光學(xué)芯片和頻率梳技術(shù)，所以我今天報告的標(biāo)題是光學(xué)芯片、頻率梳和人工智能。我們知道人工智能在算法和業(yè)務(wù)上有很多優(yōu)勢，很多嘉賓都提到了。我從芯片角度講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。您可能非常熟悉電子芯片。電子芯片本質(zhì)上是利用電子在芯片規(guī)模上生成、處理和傳輸信息；光學(xué)芯片用光子代替電子，并使用光子在芯片規(guī)模上生成、處理和傳輸信息。

與電子芯片相比，光學(xué)芯片在通信、激光雷達、傳感、圖像分析等多個領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢。

在左下角，你可以看到一張比較電學(xué)芯片和光學(xué)芯片性能差異的表格。光芯片的速率可以達到100G，比電芯片快很多。通過這種方式，您可以在光通道上編碼更多信息。與電子芯片相比，它可以攜帶更多的信息并且消耗更少的功率。因為光在傳播過程中不會產(chǎn)生任何熱效應(yīng)，就像電子一樣，光與光之間不存在相互作用，也不存在背景電磁干擾。

這是一種光學(xué)芯片架構(gòu)?？梢姽鈱W(xué)芯片系統(tǒng)比電學(xué)芯片系統(tǒng)復(fù)雜得多。它包含光源、處理器和檢測器，并且通常需要使用各種材料之間的集成協(xié)同作用?？梢姽庑酒浅?fù)雜，作為一個研究小組，很少有人能夠架構(gòu)出整個系統(tǒng)。

我們首先以研究芯片集成寬帶光源為起點。這里我們需要獲得相關(guān)的多通道多寬帶光源。

事實上，我們本質(zhì)上得到的光源是頻率梳。頻率梳是寬帶光源。它由連續(xù)的光梳尺組成。每個梳尺之間的頻率差是恒定的。因此，每一個梳尺都可以嚴(yán)格用數(shù)學(xué)表達式來表達，這樣我們就知道每一個梳尺的頻率，并可以對其進行嚴(yán)格控制。因此，頻率梳是測量時間和頻率的一把尺子。廣泛應(yīng)用于光譜學(xué)、精密測量和時間標(biāo)準(zhǔn)等領(lǐng)域。

正因為如此，2005年諾貝爾物理學(xué)獎的一半頒給了兩位科學(xué)家。

第一個頻率梳于20世紀(jì)90年代研制成功。經(jīng)過20年的發(fā)展，頻率梳現(xiàn)已基本實現(xiàn)商品化。用戶能夠購買這樣一個成熟的業(yè)務(wù)平臺，每個平臺的花費在30萬歐元左右，還是非常昂貴的。

如今，頻率梳的技術(shù)發(fā)展正朝著小型化、集成化方向發(fā)展，從而降低了成本。更多的用戶可以享受到這項技術(shù)，并在很多領(lǐng)域使用這項技術(shù)。

要實現(xiàn)這樣的技術(shù)，我們需要用到Microbox集成頻率梳技術(shù)（聲音），這里就需要用到光芯片集成技術(shù)。

我們生成了一種頻率梳機制，將光耦合到光學(xué)微腔中。光學(xué)微腔具有尺寸小、品質(zhì)因數(shù)高的特點。光線在微腔中會大大增強。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，這意味著當(dāng)你輸入一束光時，會產(chǎn)生很多新的光頻率作為出射光。由于動量和能量守恒，每束光的頻率嚴(yán)格滿足頻率梳的表達式，因此這種頻率梳被稱為光學(xué)芯片集成頻率梳光源。

在構(gòu)建光學(xué)芯片時，必須首先考慮使用什么材料來構(gòu)建它。目前最主流的三種材料是硅、氮化硅和磷化銦。硅一般用作集成高速調(diào)制器，也可用作點檢測器。然而，硅沒有直接產(chǎn)生系統(tǒng)（聲音），因此硅不能用作激光器。這時候就需要材料磷化銦，但是硅和磷化銦都有一個問題，就是材料的損耗非常大。這時候如果對比一下，你會發(fā)現(xiàn)氮化硅是一種損耗非常低的材料。

光損耗是所有光學(xué)研究的核心參數(shù)。它對于構(gòu)建非線性元件非常重要，例如激光器、探測器和復(fù)雜的線路網(wǎng)絡(luò)。復(fù)雜的線性網(wǎng)絡(luò)，我指的是激光雷達、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或量子計算。

目前集成光學(xué)的發(fā)展趨勢有很多新材料的加入，如氮化硅、二氧化硅、氮化鋁、鈮酸鋰、碳化硅、高折射率玻璃、氧化鉭、砷化鋁鎵、磷化鎵、氮化鎵，很多里面的材料屬于第三代半導(dǎo)體?，F(xiàn)在集成光學(xué)的發(fā)展呈現(xiàn)多樣化、復(fù)雜化的趨勢。

我簡單介紹一下我們氮化硅超低損耗微納加工的一些技術(shù)。

這里我們使用一種稱為氮化硅光子大馬士革工藝的技術(shù)。大馬士革工藝是一項非常古老的工藝，可以追溯到阿拉伯人，他們在武器和裝飾品上進行彩色鑲嵌和圖畫。這個過程的本質(zhì)是先制作圖形，然后將色料鑲嵌到材料中進行拋光，然后就有了圖紙。

這個想法被用于早期的電子電路制造。在我們的研究中，我們將氮化硅和大馬士革工藝應(yīng)用于氮化硅集成光路的制造。利用這一工藝，我們可以獲得目前所有集成光芯片中最低的光損耗。

在此過程中，我們采用了非常成熟的半導(dǎo)體微納加工技術(shù)。所有這些過程都是在我們大學(xué)完成的。

所以總而言之，我之前提到過光損耗對于光學(xué)器件來說非常重要。目前，最低的光損耗是在光纖中實現(xiàn)的。其損耗約為0.2dB/km，非常低。在這里我們要感謝高錕，因為沒有他的貢獻，我們就無法享受全球光通信技術(shù)。所以在集成光學(xué)中，目前商用的硅波導(dǎo)損耗為dB/cm，而我們的氮化硅可以做到0.01 dB/cm，比這些材料好2倍以上。

我們來回顧一下氮化硅的最新發(fā)展。氮化硅集成波導(dǎo)已經(jīng)發(fā)展了十多年。它們首先由哥倫比亞大學(xué)的Mihassen 教授開發(fā)成功。這里我標(biāo)記了品質(zhì)因數(shù)。品質(zhì)因數(shù)越高，光損失越低?？梢钥吹剑璧钠焚|(zhì)因數(shù)正在穩(wěn)步增長，這也表明該技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)逐漸商業(yè)化。我們還不斷優(yōu)化工藝，然后測量我們的芯片樣品并進行統(tǒng)計分析。我們可以發(fā)現(xiàn)我們的損耗確實可以達到1dB/m，這是一個非常低的損耗。利用這種氮化硅技術(shù)，我們還制作了許多環(huán)形微腔。根據(jù)需要，不同尺寸的環(huán)形微腔可以在不同的應(yīng)用中發(fā)揮不同的作用。例如，約10g的光學(xué)微腔可用于產(chǎn)生微波。 10g-50g可用于天體光譜儀的校準(zhǔn)。 50g-100g可用于制作透光鏡，100g以上可用于產(chǎn)生毫米波。同時我們也做了一個非常復(fù)雜、非常密集的光綜合網(wǎng)絡(luò)。我們可以看到，5毫米5毫米的光學(xué)芯片上放置了近1米長的波導(dǎo)。在這種情況下，這種長波導(dǎo)可以用來實現(xiàn)一些一系列相關(guān)應(yīng)用，包括特殊量子光源糾纏態(tài)的制備、量子計算或光學(xué)開發(fā)線。

使用氮化硅環(huán)形微腔，我們可以制造具有相對較高重復(fù)率的微梳。我們發(fā)送一束光，并在出口端得到許多很多的光通道。這里可以看到兩個箭頭之間，下面兩個箭頭之間可以有300多個通道，這意味著這300個通道用于通信編碼，因此整個光源可以作為一個非常高效的通信種子源。

我們有這樣一個光學(xué)頻率梳，可以同時產(chǎn)生這么多通道。接下來，我們需要對每個通道進行光傳輸。這里我們需要使用片上集成調(diào)制器。我們使用由壓電材料氮化鋁制成的聲光調(diào)制器。光學(xué)芯片上有很多這樣的調(diào)制器，特別是對于氮化硅等不具有二級非線性的材料。一般需要電光調(diào)制器，采用石墨烯或二維材料進行調(diào)制，以及熱調(diào)制。這些調(diào)制器都或多或少存在技術(shù)缺陷，如工藝流程過于復(fù)雜、技術(shù)不夠成熟、損耗過大、調(diào)制速度過慢等。近年來，出現(xiàn)了使用壓電材料作為調(diào)制器的趨勢。壓電材料在微機電系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍。這里，壓電材料調(diào)制基本上基于兩種類型：一是改變幾何構(gòu)型。對壓電材料施加電壓會在基板之間產(chǎn)生張力，該張力會改變儀器的幾何配置，從而改變光傳播所需的時間。二是通過壓延作用。壓延效應(yīng)是指當(dāng)施加電壓時，會直接在基材上產(chǎn)生這樣的壓力，而壓力會直接改變材料的折射率。通過壓延調(diào)制器可以實現(xiàn)高調(diào)制速率，并且不限于任何基板，因此該機制可以用于所有集成光學(xué)芯片。

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)用于微機電系統(tǒng)的壓電材料。當(dāng)你在氮化鋁的上下表面施加交流電時，由于氮化鋁在電壓作用下會膨脹或收縮，因此可以在薄膜內(nèi)部產(chǎn)生體聲波。體聲波本質(zhì)上是薄膜內(nèi)靜止的粒子的聲音。波信號。其聲波頻率與薄膜的厚度和在薄膜中的誕生速度有關(guān)。當(dāng)你掃描頻率時，你會發(fā)現(xiàn)這樣一條特性傳輸曲線。該傳輸曲線意味著存在諧振線和非諧振線。一種決定是能量直接穿過薄膜，另一種決定是電能在薄膜中轉(zhuǎn)化為聲波能。

當(dāng)你把幾個這樣的氮化鋁集成波放在一起時，就會產(chǎn)生射頻和信號寬帶濾波器。這項技術(shù)就是我們周圍的技術(shù)。你們每人拿出手機，手機里有4-8個。此類組件用于接收WIFI信號。這項技術(shù)每年的市場價值達數(shù)百億，一些大公司每年生產(chǎn)數(shù)十億臺此類設(shè)備。我們的工藝是將氮化鋁壓電材料放置在氮化硅集成光芯片上，用于集成聲光調(diào)制。在這里您可以看到樣品的橫截面。可以看到氮化鋁完全覆蓋了氮化硅的光路。同時，我們的光傳播到遠離金屬的地方，從而可以保持我們的低損耗。

我們的實驗機制是將一束光耦合到光學(xué)微腔中，使其通過并施加外部氮化鋁上光調(diào)制，同時調(diào)制種子源產(chǎn)生的每個頻率梳的每個梳齒，從而實現(xiàn)對每個頻率梳。頻率梳的每個齒，或編碼信道調(diào)制。我們還測試了調(diào)制速率和調(diào)制能量。

在這里我展示了氮化硅集成光源和調(diào)制的能力。我們利用這兩個簡單的函數(shù)來實現(xiàn)很多應(yīng)用。今天既然講人工智能，我就講講人工智能的兩個應(yīng)用。第一個人工智能應(yīng)用是激光雷達。我們在這里做的是相干激光雷達，F(xiàn)MCW。相干激光雷達不僅可以測量物體與您之間的距離，還可以測量物體移動的速度。這里的機制是使用三角波來調(diào)制信號并將其發(fā)送到移動物體。此時，您檢測從物體反射的信號，然后將輸出信號和反射信號拉平。這樣就可以得到兩個參數(shù)，F(xiàn)U和FD。根據(jù)這兩個參數(shù)，可以還原反射信號波形。比較反射信號和輸出信號，你會發(fā)現(xiàn)兩個參數(shù)是不同的。第一個參數(shù)對應(yīng)于時間延遲。我們知道光速。根據(jù)時間延遲，可以計算出對象。與你的距離；第二個參數(shù)是頻率的變化，頻率的變化對應(yīng)于多普勒，是由多普勒效應(yīng)引起的。你知道為什么當(dāng)你的車在高速公路上行駛時，交警可以立即檢測到汽車的速度。其實這里就利用了多普勒雷達的功能。利用多普勒效應(yīng)，我們可以知道物體移動的速度。

當(dāng)我們使用頻率梳等技術(shù)時，因為頻率梳具有多通道的優(yōu)點，每個通道都進行調(diào)制，可以同時產(chǎn)生數(shù)十個或數(shù)百個激光雷達。我們可以使用色散元件將激光雷達分散到相反的方向。廣角，可進行并行多通道，具有廣角激光雷達測距功能。我們實際上是同時調(diào)制激光和頻率梳，使得調(diào)制過程中光源的波形不發(fā)生變化。我們還利用這項技術(shù)進行了測序?qū)嶒?。該作品還作為封面發(fā)表在最近的《自然》雜志上。

第二個場景應(yīng)用是制作光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這里仍然使用氮化硅。氮化硅有兩個功能。第一氮化硅用作頻率梳和光源。正如我之前提到的，第二氮化硅在這里形成了44 復(fù)雜的矩形光網(wǎng)絡(luò)。我們這里的工作是與牛津大學(xué)和德國明斯特大學(xué)合作，通過對每個光學(xué)頻率梳通道進行編碼并將其發(fā)送到光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。輸入信號經(jīng)過光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理，然后在光學(xué)層面上進行處理，然后轉(zhuǎn)換為輸出信號。我們使用光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建張量和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。這里我們實際上求解了矩形矩陣，然后應(yīng)用了浮雕濾波器。所謂浮雕濾波器的應(yīng)用，就是你把一個圖像信號輸入到系統(tǒng)中，然后通過浮雕濾波器，會增強高頻信號和低頻信號，通過浮雕濾波器可以增強邊緣。在這里看一輛小汽車，你可能無法通過原圖中的大燈看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)。然而，通過壓紋處理器可以看到新的圖像，該處理器強化了車燈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，證明氮化硅可以用于集成光學(xué)芯片，以在光學(xué)層面創(chuàng)建光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)應(yīng)用。

事實上，光學(xué)芯片還有更多的應(yīng)用，不僅僅局限于人工智能。我們還將其用于微波濾波器、毫米波生成、天體光譜儀校準(zhǔn)和微波生成。我們甚至可以進行中紅外雙輸入光譜來測量氣體的成分。我們可以做光學(xué)相關(guān)斷層掃描，我們可以看到生物組織的結(jié)構(gòu)，最后我們可以用它作為數(shù)據(jù)中心的交換機來控制數(shù)據(jù)。