我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)合作在光子芯片研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院路翠翠教授課題組和北京大學(xué)胡小永教授課題組、中科院微電子所楊妍研究員合作，提出引入時(shí)分復(fù)用與矩陣分割技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了快速高精度求解偏微分方程的光子芯片。該成果以題為“Microcomb-driven photonic chip for solving partial differential equations”發(fā)表在光學(xué)頂級(jí)期刊《Advanced Photonics》上。 /[mCK3_  
隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展，科學(xué)計(jì)算需求呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，特別是在求解描述復(fù)雜系統(tǒng)和現(xiàn)象的偏微分方程領(lǐng)域。偏微分方程作為科學(xué)研究和工程應(yīng)用中的重要數(shù)學(xué)工具，其求解精度和效率直接影響著諸多領(lǐng)域的研究發(fā)展。然而，面對(duì)大規(guī)模系數(shù)矩陣的偏微分方程求解問(wèn)題，傳統(tǒng)計(jì)算方法仍存在計(jì)算誤差較大、耗時(shí)長(zhǎng)等瓶頸問(wèn)題。與此同時(shí)，在電子芯片的發(fā)展進(jìn)入后摩爾定律時(shí)代后，受限于物理極限，計(jì)算性能提升空間日益收窄，亟需突破性的計(jì)算范式革新。在這一背景下，光子計(jì)算技術(shù)憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)脫穎而出。作為以光子為信息載體的新型計(jì)算方式，光子計(jì)算具有超高速運(yùn)算和高度并行處理能力，近年來(lái)已在多個(gè)前沿領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展：從邊緣計(jì)算的實(shí)時(shí)處理到機(jī)器視覺(jué)的精準(zhǔn)識(shí)別，從卷積加速器的高效運(yùn)算到光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能處理，乃至數(shù)學(xué)運(yùn)算的精確求解，都展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。特別是在偏微分方程求解這一關(guān)鍵領(lǐng)域，光子芯片的發(fā)展有望為突破傳統(tǒng)計(jì)算瓶頸提供了全新的技術(shù)路徑。 /bVI'fT  
在本工作中，北京理工大學(xué)路翠翠教授課題組和北京大學(xué)胡小永教授課題組設(shè)計(jì)出了一款總尺寸為3.7mm×2.5mm的光子芯片（如圖1所示），該芯片的核心模塊為一組9×9的硅基光波導(dǎo)微環(huán)陣列，每個(gè)微環(huán)半徑為5.5μm。采用深紫外光刻標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝技術(shù)制備出光子芯片，既保證了器件的高集成度，同時(shí)也兼顧了穩(wěn)定性和批量制造的可行性。實(shí)驗(yàn)中，利用北京大學(xué)自主研發(fā)的克爾光頻梳作為多通道光源，再通過(guò)波分復(fù)用技術(shù)從中選取出九個(gè)通道，每個(gè)通道的光信號(hào)由可變光衰減器精準(zhǔn)調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入向量數(shù)據(jù)的加載。光子芯片上利用逆向設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的1:9 功率分配器可以將光信號(hào)均勻分配至微環(huán)陣列，這為大規(guī)模矩陣—矢量乘法的并行計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。 WWY9U