Nat. Photonics：全新「光子芯片」有望实现光学无线通信

光子盒研究院

现在，光无线通信可能不再有任何障碍。

米兰理工大学与比萨圣安娜大学、格拉斯哥大学和斯坦福大学合作进行的一项研究成果发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上，该研究使得制造光子芯片成为可能，这种芯片可以通过数学计算得出光线的最佳形状、从而以最佳方式穿过任何环境：甚至是未知的或随时间变化的环境。

在此之前，问题是众所周知的：光对任何形式的障碍物都很敏感，即使是很小的障碍物。举例来说，想想我们透过结霜的窗户或眼镜起雾时是如何看到物体的。光学无线系统中携带数据流的光束也会受到类似的影响：信息虽然仍然存在，但会完全扭曲，极难检索。

这项研究开发的设备是一种小型硅芯片，可用作智能收发器：它们成对工作，能自动、独立地“计算”光束的形状，以便以最高效率穿过一般环境。

这还不是全部：它们还能产生多束重叠的光束，每束光束都有自己的形状，并在不相互干扰的情况下引导它们；通过这种方式，传输能力大大提高——这正是下一代无线系统所需要的。

“我们的芯片是一种数学处理器，能快速高效地利用光进行计算，几乎不消耗任何能量。光束是通过简单的代数运算产生的，主要是对光信号直接进行求和与乘法运算，并通过直接集成在芯片上的微型天线进行传输。”米兰理工大学光子设备实验室主任Francesco Morichetti解释说：“这项技术具有许多优势：处理极为简便、能效高、带宽超过5000 GHz。”

今天，所有信息都是数字化的，但事实上，图像、声音和所有数据本质上都是模拟的。数字化的确可以进行非常复杂的处理，但随着数据量的增加，这些操作在能源和计算方面的可持续性越来越差。如今，人们对通过专用电路（模拟协处理器）回归模拟技术产生了浓厚的兴趣，这些专用电路将成为未来5G和6G无线互联系统的推动力。

米兰理工大学微纳米技术中心Polifab主任Andrea Melloni解释说：“我们的芯片就是这样工作的。”

利用一对光子集成处理器自动寻找最佳正交通信模式

任意光学孔径组之间的正交模式

数据通信通道之间的正交性

“使用光学处理器的模拟计算在众多应用场景中都至关重要，这些应用场景包括神经形态系统的数学加速器、高性能计算（HPC）和人工智能、量子计算机和密码学、先进的定位、定位和传感器系统，总之，在所有需要高速处理大量数据的系统中都是如此。”

参考链接：

[1]https://phys.org/news/2023-11-photonic-chips-optimal-next-gen-wireless.html

[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/1009491

[3]https://perexpteamworks.com/en/photonic-chips-news/