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刘骏秋：光芯片应用不仅局限于人工智能( 三 )


利用氮化硅环形微腔 ， 我们可以做重复频率比较高的微梳 。 我们送进去一束光 ， 在出射端得到很多很多束光的通道 。 在这里可以看到2个箭头之间 ， 下面的2个箭头之间可以达到超过300个通道 ， 也就是说这300个通道都用来作为通信上编码 ， 所以整个光源可以用来作为非常高效的通信种子源 。
我们有了这样的光频梳 ， 同时可以产生这么多通道 ， 接下来我们就需要对每个通道进行光路传输 。 在这里我们需要用到片上的集成调制器 ， 我们使用的是压电材料氮化铝的声光调制器 。 在光芯片上有很多这样的调制器 ， 尤其是对氮化硅这样没有二级非线性材料来讲 ， 一般需要用到电光调制器 ， 会用到石墨烯或者二维材料做调制 ， 还有热调制 。 这些调制器或多或少都有技术上的缺陷 ， 比如它的工艺流程过于复杂、技术不够成熟、或者损耗过大 ， 或者调制速度过慢 。 近年来一个趋势 ， 使用压电材料来做调制器 ， 压电材料是在微机电系统当中有非常普通的应用 。 在这里 ， 压电材料调制基本上基于两种：一种是改变几何构型 ， 在压电材料上施加电压 ， 会在衬底之间产生张力 ， 张力就会改变仪器的几何构型 ， 从而改变光传播的时间 。 二是通过压光效应 ， 压光效应就是说施加了电压 ， 在衬底上会直接产生这样的压力 ， 压力会直接改变材料的折射率 。 通过压光调制器可以达到很高的调制速率 ， 同时它不限制于任何的衬底 ， 所以可以把这个机制放在所有的集成光芯片使用上 。
我简单说一下我们使用的压电材料氮化铝 ， 氮化铝是一种广泛应用于微机电体系中的压电材料 。 你在氮化铝上下表面施加一个交流电的时候 ， 由于氮化铝在电压的作用下会舒张或者收缩 ， 它就可以在薄膜内部产生一个体声波 ， 体声波本质上来讲就是生子在薄膜内部的驻波信号 。 它的声波频率是跟薄膜厚度 ， 生子在薄膜当中升速是相关的 。 当你去扫频时会发现这样一个特征的传输曲线 ， 这个传输曲线就是说有共振线和非共振线 ， 一个决定就是能量直接从薄膜当中穿过 ， 另外是电能转化成薄膜内声波能量 。
当你把这样几个氮化铝集成波放在一起就会产生射频 ， 信号宽带的滤波器 ， 这个技术是我们身边的技术 ， 你们每一个人拿出手机 ， 你们手机当中都有4-8个这样的元件用来接受WIFI信号 ， 这项技术每年有几百亿每年的市值 ， 一些大公司每年都会产生数十亿这样的单元 。 我们的工艺上就是将氮化铝压电材料放在氮化硅集成光芯片上 ， 用它来做集成的声光调制 。 这里可以看到样品的截面图 ， 可以看到氮化铝完全覆盖了氮化硅的光路 ， 同时我们的光的传播也离金属很远 ， 这样的话我们的低损耗得以维持 。
我们的实验机制是将一束光耦合成光学微腔里 ， 通和施加外部氮化铝升光调制 ， 同时去调制每一根由种子源产生的频率梳的每根梳齿 ， 就实现了对每一根频率梳的每根梳齿 ， 或者编码通道的调制 。 我们也测试了调制速率和调制的能量 。
我这里展示了氮化硅集成光源和调制的能力 ， 我们利用这两个简单的功能 ， 接下来实现很多应用 。 由于今天我们说的是人工智能 ， 我说两个关于人工智能方面的应用 。 第一个人工智能应用就是说激光雷达 ， 我们在这里做的是相干激光雷达 ， FMCW 。 相干激光雷达不仅可以测量物体与你的距离 ， 同时可以测量物体运动的速度 。 这里它的机制是利用三角波调制信号 ， 把它发送到移动物体上 ， 这时候你去探测从物体上反射的信号 ， 然后将出射信号和反射信号做一个拍平 ， 这样的话可以得到两个参量 ， FU和FD 。 你根据这两个参量 ， 可以还原反射信号波形图 ， 将反射信号与出射信号作对比会发现两个参量不一样 ， 第一个参量对应时间的延迟 ， 我们知道光速 ， 根据时间的延迟可以计算物体与你的距离；第二个参量是频率的变化 ， 频率的变化对应的是多普勒 ， 由多普勒效应造成的 。 你知道当你的汽车开在高速公路上 ， 为什么交警可以立刻探测到汽车运动的速度呢 ， 其实这里就是用到多普勒雷达的功能 。 利用多普勒效应 ， 我们可以知道物体移动的速度 。


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