新型光子芯片正在突破光学无线通信技术的最大物理障碍

光学无线技术的新突破采用光子芯片，可有效塑造光以改善数据传输，这对于未来无线网络和高速数据处理的进步至关重要，光纤无线或许可以不再有任何障碍。米兰理工大学与比萨圣安娜高等学校、格拉斯哥大学和斯坦福大学合作进行的一项研究，发表在著名期刊《自然光子学》上，使制造光子芯片成为可能，该芯片可以通过数学方式计算出最佳形状光线能够最好地穿过任何环境，即使是未知的或随时间变化的环境。

新的先进光子芯片已经开发出来，它可以优化光学无线系统的光传输。这些芯片对于未来 5G 和 6G 网络至关重要，代表着向节能模拟技术的转变，并在高速数据处理和通信领域具有广泛的应用。图片来源：米兰理工大学

有一个问题是众所周知的：光对任何形式的障碍物都很敏感，即使是非常小的障碍物。例如，想一想当透过磨砂窗户或当我们的眼镜起雾时我们如何看到物体。这种效果与光学无线系统中携带数据流的光束非常相似：信息虽然仍然存在，但却完全扭曲并且极难检索。

这项研究中开发的设备是用作智能收发器的小型硅芯片：成对工作，它们可以自动且独立地“计算”光束需要什么形状，以便以最大效率穿过通用环境。这还不是全部：它们还可以生成多个重叠的光束，每个光束都有自己的形状，并引导它们而不互相干扰；这样，传输容量就大大增加，正如下一代无线系统所要求的那样。

“我们的芯片是数学处理器，可以非常快速有效地利用光进行计算，几乎不消耗能源。光束通过简单的代数运算（本质上是求和和乘法）生成，直接对光信号执行，并通过直接集成在芯片上的微天线传输。这项技术具有许多优点：处理极其简单、能源效率高以及超过 5000 GHz 的巨大带宽。”米兰理工大学光子器件实验室负责人 Francesco Morichetti 解释道。

“如今，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。数字化确实允许非常复杂的处理，但随着数据量的增加，这些操作在能源和计算方面变得越来越不可持续。如今，人们对通过专用电路（模拟协处理器）回归模拟技术抱有极大兴趣，专用电路将成为未来 5G 和 6G 无线互连系统的推动者。我们的芯片就是这样工作的，”米兰理工大学微纳米技术中心 Polifab 主任 Andrea Melloni 介绍说。

“使用光学处理器的模拟计算在许多应用场景中至关重要，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、高级本地化、定位和传感器系统，总的来说， 需要以非常高的速度处理大量数据的系统，”圣安娜高等学校 TeCIP 研究所（电信、计算机工程和光子学研究所）的电子学教授 Marc Sorel 补充道。