• 速度快1000倍!研究团队推出超快光子芯片:有望彻底改变无线通信和AI【附全球光芯片技术赛道观察图谱】

    发布日期:2024-03-11 05:21    点击次数:89

    瞻观前沿

    香港城市大学(CityUHK)电机工程系王成教授领导的研究团队开发出世界领先的微波光子芯片,能够利用光学进行超快模拟电子信号处理和计算。该芯片比传统电子处理器速度快1000倍,能耗低,应用范围广泛,涵盖5/6G无线通信系统、高分辨率雷达系统、人工智能、计算机视觉、图像/视频处理等。这项创新有望彻底改变各个领域,包括无线通信和人工智能。

    该团队的研究成果发表在著名科学杂志《自然》上,标题为“集成铌酸锂微波光子处理引擎”。这是与香港中文大学(CUHK)的合作研究。

    无线网络、物联网和云服务的快速扩张对底层射频系统提出了巨大的要求。微波光子学 (MWP) 技术使用光学元件进行微波信号生成、传输和操纵,为应对这些挑战提供了有效的解决方案。然而,集成MWP系统一直在努力同时实现超高速模拟信号处理与芯片级集成、高保真度和低功耗。王教授解释说:“为了应对这些挑战,我们的团队开发了一种MWP系统,该系统将超快电光(EO)转换与低损耗、多功能信号处理结合在单个集成芯片上,这是以前从未实现过的。”这种性能是通过基于薄膜铌酸锂 (LN) 平台的集成 MWP 处理引擎实现的,该平台能够执行模拟信号的多用途处理和计算任务。

    论文的第一作者、电子工程学院博士生冯汉科说:“该芯片可以进行高速模拟计算,具有67GHz的超宽处理带宽和出色的计算精度。”

    微波光子芯片

    图片来源:香港城市大学

    技术价值观察

    光模块行业的上游主要是光器件、光芯片、电芯片、PCB和结构件的制造商以及光模块封装及测试设备供应商;下游则主要是通信设备制造商,光模块应用的电信设备与数通设备主要应用于5G、光纤宽带、数据中心、消费电子和自动驾驶等领域。

    研究团队开发出世界领先的微波光子芯片,速度比现有处理器快1000倍。因此,从光模块产业链上看,光芯片技术处于产业链的上游环节。

    图表1:光模块行业产业链

    宏观市场观察

    ——光芯片是光器件的核心零部件

    光芯片主要用于光电信号转换,,遵循“Chip-OSA-Transceiver”的封装顺序,激光器芯片(Chip)通过传统的TO封装或新兴的多模COB封装形式制成光模块(Transceiver)。在光通信系统中,常用的核心光芯片主要包括DFB、EML、VCSEL 三种类型,分别应用于不同传输距离和成本敏感度的应用场景。

    光通信器件根据其物理形态的不同,一般可以分为:芯片、光有源器件、光无源器件、光模块与子系统这四大类,其中,光芯片为光器件(光有源器件和光无源器件)的重要组成部分,而光器件是光模块的重要组成部分。

    图表1:光通信产业组成结构

    光芯片的生产流程基本可以分为芯片设计、基板制造、磊晶成长和晶粒制造四个流程,可见其技术壁垒较高,其生产流程具体如下:

    图表2:光芯片生产流程概述

    ——光芯片成本在光器件中占比最高

    光模块产品所需原材料主要为光器件、电路芯片、PCB以及结构件等。其中,光器件的成本占比最高,在73%左右。光器件主要由TOSA(以激光器为主的发射组件)、ROSA(以探测器为主的接收组件)、尾纤等组成,其中TOSA占到了光器件总成本的48%;ROSA占到了光器件总成本的32%。

    图表2:光模块成本构成(单位:%)

    光器件是光模块产品中成本最高的部分,而从芯片层面来看,光芯片又是TOSA与ROSA成本最高的部件,越高速率光模块光芯片成本越高。一般高端光模块中,光芯片的成本接近50%。

    图表3:光芯片在不同级别光模块中的成本占比(单位:%)