Forscher entwickeln einen ultraschnellen Mikrowellen-Photonik-Chip zur Signalverarbeitung

Kürzlich hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Wang Cheng vom Fachbereich Elektrotechnik der City University of Hong Kong erfolgreich einen weltweit führenden Mikrowellen-Photonik-Chip (MWP) entwickelt. Dieser Chip ist in der Lage, das optische Prinzip zu nutzen, um eine ultraschnelle analoge elektronische Signalverarbeitung und -berechnung durchzuführen.
Der Chip ist nicht nur 1000-mal schneller als herkömmliche elektronische Prozessoren, sondern verbraucht auch weniger Energie. Sein breites Anwendungsspektrum umfasst eine Vielzahl von Bereichen wie drahtlose 5/6G-Kommunikationssysteme, hochauflösende Radarsysteme, künstliche Intelligenz, Computer Vision und Bild-/Videoverarbeitung.
Das Team arbeitete mit der Chinesischen Universität Hongkong an der Forschung zusammen, die in der Fachzeitschrift Nature mit dem Titel „Integrated Lithium Niobate Microwave Photonic Processing Engine“ veröffentlicht wurde.
Mit der rasanten Ausbreitung drahtloser Netzwerke, des Internets der Dinge (IoT) und cloudbasierter Dienste ist die Nachfrage nach zugrunde liegenden HF-Systemen exponentiell gestiegen. Die Mikrowellenphotonik (MWP)-Technologie bietet mit ihren einzigartigen Vorteilen der Erzeugung, Übertragung und Verarbeitung von Mikrowellensignalen durch den Einsatz optischer Komponenten eine wirksame Lösung für diese Herausforderungen. Integrierte MWP-Systeme stehen jedoch vor mehreren Herausforderungen, wie der gleichzeitigen Realisierung einer ultraschnellen analogen Signalverarbeitung, der Integration im Chipmaßstab, hoher Wiedergabetreue und geringem Stromverbrauch.
Um diesen Herausforderungen zu begegnen, hat das Forschungsteam von Prof. Wang Cheng ein neuartiges MWP-System entwickelt. Das System integriert auf innovative Weise ultraschnelle elektrooptische (EO) Umwandlung mit verlustarmer multifunktionaler Signalverarbeitung auf einem einzigen Chip, eine Leistung, die in früheren Forschungen noch nie erreicht wurde.
Diese herausragende Leistung wird durch eine integrierte MWP-Verarbeitungsmaschine ermöglicht, die auf einer Dünnschicht-Lithiumniobat (LN)-Plattform basiert. Diese Engine ist in der Lage, ein breites Spektrum an analogen Signalverarbeitungs- und Rechenaufgaben auszuführen. Dem Bericht zufolge verfügt dieser Chip nicht nur über eine ultragroße Verarbeitungsbandbreite von 67 GHz, sondern auch über eine hervorragende Rechengenauigkeit.
Im Laufe der Jahre hat das Team an der Erforschung integrierter photonischer LN-Plattformen gearbeitet. Erwähnenswert ist, dass Kollegen der Harvard University und der Nokia Bell Labs im Jahr 2018 den weltweit ersten CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)-kompatiblen integrierten elektrooptischen Modulator auf einer Dünnschicht-Lithiumniobat (LN)-Plattform entwickelten, der eine solide Grundlage legte Grundlage für den aktuellen Forschungsdurchbruch. Dünnschicht-Lithiumniobat (LN) wird aufgrund seiner Bedeutung im Bereich der Photonik, die mit Silizium in der Mikroelektronik vergleichbar ist, als „Silizium der Photonik“ bezeichnet.
Diese Arbeit eröffnet nicht nur ein völlig neues Forschungsgebiet – Dünnschicht-Mikrowellenphotonik aus Lithiumniobat (LN), sondern ermöglicht neben anderen Vorteilen auch Mikrowellenphotonik-Chips mit kompakter Größe, hoher Signaltreue und geringer Latenz. Noch wichtiger ist, dass dieser Durchbruch eine neue Richtung für analoge elektronische Verarbeitungs- und Rechenmaschinen im Chip-Maßstab darstellt.