科学家开发出突破性微型光纤激光器 更锐利、更小巧、更智能

科学家开发出突破性微型光纤激光器 更锐利、更小巧、更智能 基于氮化硅光子集成电路的全封装混合集成铒激光器的光学图像，可提供光纤激光器相干性和以前无法实现的频率可调谐性。资料来源：Andrea Bancora 和 Yang Liu（洛桑联邦理工学院）光纤激光器使用掺杂稀土元素（铒、镱、钕等）的光纤作为光增益源（产生激光的部分）。光纤激光器能发出高质量的光束，输出功率高，效率高，维护成本低，经久耐用，而且体积通常比气体激光器小。光纤激光器也是低相位噪声的"黄金标准"，这意味着它们的光束可以长期保持稳定。尽管如此，人们对芯片级光纤激光器微型化的需求仍在不断增长。基于铒的光纤激光器尤其令人感兴趣，因为它们符合保持激光器高相干性和稳定性的所有要求。但是，要实现光纤激光器的微型化，就必须在小尺度上保持其性能。现在，EPFL的刘洋博士和 Tobias Kippenberg 教授领导的科学家们制造出了首台芯片集成的掺铒波导激光器，其性能接近光纤激光器，将宽波长可调谐性与芯片级光子集成的实用性相结合。这一突破发表在《自然-光子学》（Nature Photonics）上。制造芯片级激光器研究人员采用最先进的制造工艺开发出了芯片级铒激光器。他们首先在超低损耗氮化硅光子集成电路的基础上构建了一个一米长的片上光腔（一组提供光反馈的反射镜）。刘博士说："尽管芯片尺寸小巧，但我们却能将激光腔设计成米级长度，这要归功于这些微oring谐振器的集成，它们能在不增大设备物理尺寸的情况下有效延长光路。"然后，研究小组在电路中植入高浓度铒离子，选择性地产生激光所需的有源增益介质。最后，他们将电路与 III-V 族半导体泵浦激光器集成，以激发铒离子，使其发光并产生激光束。基于掺铒光子集成电路的混合集成激光器的光学图像，该激光器具有光纤激光相干性和以前无法实现的频率可调谐性。资料来源：Yang Liu（洛桑联邦理工学院）为了完善激光器的性能并实现精确的波长控制，研究人员设计了一种创新的腔内设计，其特点是基于微孔的 Vernier 过滤器，这是一种可以选择特定光频的光学过滤器。滤波器可在很大范围内对激光波长进行动态调整，从而使其在各种应用中都能发挥作用。这种设计支持稳定的单模激光，其内在线宽仅为 50 Hz，非常窄，令人印象深刻。它还具有显著的边模抑制功能激光器能够以单一、稳定的频率发光，同时将其他频率（"边模"）的强度降至最低。这确保了高精度应用在整个光谱范围内的"干净"和稳定输出。这种芯片级铒光纤激光器的输出功率超过 10 mW，边模抑制比超过 70 dB，性能优于许多传统系统。它还具有非常窄的线宽，这意味着它发出的光非常纯净和稳定，这对于传感、陀螺仪、激光雷达和光学频率计量等相干应用非常重要。基于微光的 Vernier 滤波器使激光器在 C 波段和 L 波段（用于电信的波长范围）内具有 40 nm 的宽波长可调谐性，在调谐和低光谱尖刺指标（"尖刺"是不需要的频率）方面都超越了传统光纤激光器，同时与当前的半导体制造工艺保持兼容。将铒光纤激光器微型化并集成到芯片级设备中可降低其总体成本，使其可用于电信、医疗诊断和消费电子等领域的便携式高度集成系统。它还可以缩小光学技术在其他各种应用中的规模，如激光雷达、微波光子学、光频合成和自由空间通信。"这种新型掺铒集成激光器的应用领域几乎是无限的，"Liu 说。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

港大研究人员开发出处理速度更快、能耗更低的微波光子芯片

港大研究人员开发出处理速度更快、能耗更低的微波光子芯片 集成微波光子处理芯片效果图。受访者供图集成微波光子芯片通过光学元件产生、传输和调控微波信号。但一直以来，集成微波光子系统难以同时实现芯片集成和高保真度、低功耗的超高速模拟信号处理。“低能耗对于人工智能领域有着重大意义。如今，越来越多的人工智能产品问世，产品更新迭代速度加快，人工智能模型所具备的规模越来越大、复杂度越来越高。随之而来的是能量消耗问题日益凸显，因为它不仅会导致产品成本提升，还会带来无法忽视的环境问题。”王骋在接受《中国科学报》采访时说。为了解决这些难题，王骋团队将超快电光转换模块与低损耗、多功能信号处理模块同时放置在一块芯片上，组成集成微波光子系统。而能实现卓越效能的原因是负责集成的薄膜铌酸锂平台。“因为铌酸锂对光子学的重要性堪比微电子学中的硅，所以它又被称为‘光子学之硅’。”王骋说，他在美国哈佛大学攻读博士学位期间就致力于研究集成铌酸锂光子平台。在加入香港城市大学后，其所在研究团队在铌酸锂微波光子学领域持续深耕，力争让微波光子芯片更小巧，具备更高信号保真度与更低延迟性能。“我认为铌酸锂是一种非常有潜力、可实现大规模片上光子集成应用的平台。与其他光学材料相比，它同时具有优异的电光效应、超低的光学损耗，以及大规模、低成本的制造工艺。”论文第一作者、香港城市大学博士生冯寒珂解释说。王骋团队研发的集成铌酸锂微波光子芯片不仅速度比传统电子处理器快1000倍，具有67吉赫兹的超宽处理带宽和极高的计算精确度，而且它的能耗更低。以处理一个250×250像素的图片为例，集成铌酸锂微波光子芯片仅需要3纳焦的能耗就能完成对图片边缘信息的提取，而传统的电子芯片若要执行相同的任务，则需要几百甚至上千纳焦的能耗。对于论文共同第一作者、香港城市大学本科生葛通来说，这次研究的高光时刻，是在进行超高速信号处理测试时，将脉宽小于10皮秒的脉冲信号直接输入到芯片中，示波器上观测到该信号的微分结果的那一刻。“这直接证明了我们的光子处理器可以有效处理如此高速的信号，创造了一个全新的世界纪录。”而集成铌酸锂微波光子芯片将以傲人的优势，进入5G和6G无线通信系统、高分辨率雷达系统，以及图像/视频处理等多种应用场景。下一步，王骋团队将对芯片进行进一步优化和验证，其中关键的技术挑战包括如何进一步提高集成度、实现芯片与控制电路的高效封装、优化设备性能和稳定性等，从而使其真正进入产品化阶段。相关论文信息： (2024-03-01 第1版 要闻) ... PC版： 手机版：

科学家利用先进的计时芯片将精度提升到新水平

科学家利用先进的计时芯片将精度提升到新水平 NIST 研究人员在测试一种将光转换成微波信号的芯片。图为芯片，它是一个荧光面板，看起来像两张小黑胶唱片。芯片左侧的金色方框是向芯片发射光线的半导体激光器。图片来源：K. Palubicki/NIST这种技术可以减少所谓的定时抖动，即微波信号在定时上的微小随机变化。就像音乐家在音乐中努力保持稳定的节拍一样，这些信号的定时有时也会出现一些波动。研究人员已将这些定时抖动减少到极小的几分之一秒确切地说是15飞秒，比传统微波源有了很大改进使信号更加稳定和精确，从而可以提高雷达的灵敏度、模数转换器的精确度以及天文望远镜群捕捉到的天文图像的清晰度。研究小组的研究成果发表在《自然》杂志上。这次演示的与众不同之处在于产生这些信号的元件设计紧凑。研究人员首次将曾经是桌面大小的系统，缩小到与数码相机存储卡差不多大小的紧凑型芯片中。在小规模上减少定时抖动可降低功耗，使其更适用于日常设备。目前，这项技术的几个组件位于芯片外部，研究人员正在测试它们的有效性。该项目的最终目标是将激光器、调制器、探测器和光放大器等所有不同部件集成到一个芯片上。通过将所有组件集成到一个芯片上，该团队可以减小系统的尺寸和功耗。这意味着它可以很容易地集成到小型设备中，而不需要大量能源和专门培训。NIST物理科学家弗兰克-昆兰（Frank Quinlan）说："目前的技术需要几个实验室和许多博士才能实现微波信号。这项研究的很多内容都是关于我们如何通过缩小元件尺寸来利用光信号的优势，并使一切都更容易获得。"为了实现这一目标，研究人员使用了一种半导体激光器，它就像一个非常稳定的手电筒。他们将激光器发出的光射入一个被称为参考腔的微型镜箱中，参考腔就像一个微型房间，光在里面跳来跳去。在这个空腔内，一些光的频率与空腔的大小相匹配，这样光波的波峰和波谷就能完全贴合腔壁。这使得光在这些频率上积累功率，用于保持激光频率的稳定。然后，稳定的光通过一种名为"梳频器"的装置转换成微波，这种装置能将高频光转换成低频微波信号。这些精确的微波对导航系统、通信网络和雷达等技术至关重要，因为它们能提供精确的定时和同步。昆兰说："我们的目标是让所有这些部件在一个平台上有效地协同工作，这将大大减少信号的损失，并消除对额外技术的需求。"这个项目的第一阶段是展示所有这些单个部件的协同工作。第二阶段是将它们整合到芯片上。在 GPS 等导航系统中，信号的精确定时对于确定位置至关重要。在通信网络（如移动电话和互联网系统）中，多个信号的精确定时和同步可确保数据的正确传输和接收。例如，同步信号对于繁忙的蜂窝网络处理多个电话呼叫非常重要。信号在时间上的精确对齐使蜂窝网络能够组织和管理来自多个设备（如您的手机）的数据传输和接收。这可确保多个电话同时通过网络传输，而不会出现严重的延迟或掉线。在用于探测飞机和天气模式等物体的雷达中，精确计时对于准确测量信号反弹所需的时间至关重要。"这项技术有各种各样的应用。例如，对黑洞等遥远天体进行成像的天文学家需要真正的低噪声信号和时钟同步，"昆兰说。"这个项目有助于让这些低噪声信号走出实验室，进入雷达技术人员、天文学家、环境科学家以及所有这些不同领域的人的手中，提高他们测量新事物的灵敏度和能力。"创造这种技术进步并不是单独完成的。来自科罗拉多大学博尔德分校、美国国家航空航天局喷气推进实验室、加州理工学院、加州大学圣巴巴拉分校、弗吉尼亚大学和耶鲁大学的研究人员齐心协力，共同完成了这一共同目标：彻底改变我们利用光和微波进行实际应用的方式。"我喜欢把我们的研究比作一个建筑项目。这里有很多活动部件，你需要确保每个人都协调一致，这样水管工和电工才能在项目的正确时间出现，"昆兰说。"我们大家合作得非常好，保证了项目的顺利进行。这种合作努力凸显了跨学科研究在推动技术进步方面的重要性。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家发明利用振动能量运行的突破性新型微型电源转换器

科学家发明利用振动能量运行的突破性新型微型电源转换器 加州大学圣迭戈分校和 CEA-Leti 的研究人员开发了一种新型压电式 DC-DC 转换器，通过将电源开关集中在单个芯片上，大大缩小了尺寸并提高了效率，有望在技术设备中得到广泛应用。上图为拟议中的压电转换器的芯片照片。资料来源：加州大学圣地亚哥分校该团队开发的电源转换器比目前用于这一用途的巨大、笨重的电感器要小得多。这些设备最终可用于任何类型的直流-直流（DC-DC）对话，包括智能手机、计算机、服务器群和 AR/VR 头戴式设备。突破性研究成果在旧金山举行的 ISSCC 2024 会议上，发表了题为"基于压电谐振器的集成式双侧串联/并联 20 至 2.2V DC-DC 转换器，损耗降低了 310%"的论文。论文报告说："双侧串联/并联压电谐振器（DSPPR）是首个用于基于压电谐振器的功率转换的集成电路，与之前发布和共同设计的分立式设计相比，其在 VCR<0.125 时的损耗降低了310%。"加州大学圣迭戈分校电气与计算机工程系教授 Patrick Mercier 是这篇论文的资深作者，他说："这种创新方法提高了性能，尤其是在低电压转换率的情况下在这一领域，之前的研究一直在努力保持高效率和压电材料的最佳利用率。"该论文解释说，与分立设计相比，混合 DSPPR 转换器利用集成电路的能力，以较小的面积提供复杂的功率级，并能在电压转换比 (VCR) 小于 0.1 的情况下实现设备的高效运行。革命性的单芯片解决方案CEA-Leti 硅元件部科学总监 Gael Pillonnet 说："该集成电路为将所有电源开关整合到单个芯片上提供了一个独特的机会，大大减少了 PCB 的占地面积，并提高了相位控制精度。"此外，在压电直流-直流转换器的前级和后级中加入额外的电容式转换器级，也有助于提高性能。这种战略性集成减少了对压电材料的需求，从而使转换器更加紧凑，总体积明显缩小。Pillonnet 说："与拟议拓扑结构带来的巨大收益相比，额外电容器的边际增加（不到 10%）就显得微不足道了。""直流-直流转换器，尤其是我们工作的重点低VCR范围内的直流-直流转换器，在各行各业都有广泛的应用，如大功率计算服务器、汽车系统、USB充电器和电池供电设备等，"Mercier研究小组的博士生、论文第一作者刘文钦（Wen-Chin Brian Liu）说。 ... PC版： 手机版：

科学家利用光基处理器实现量子计算的巨大飞跃

科学家利用光基处理器实现量子计算的巨大飞跃 这些新兴领域中在原子水平上运行的技术已经为药物发现和其他小规模应用带来了巨大的好处。未来，大规模量子计算机有望解决当今计算机无法解决的复杂问题。首席研究员、澳大利亚皇家墨尔本理工大学的阿尔贝托-佩鲁佐（Alberto Peruzzo）教授说，该团队的处理器是一种光子学设备，利用光粒子携带信息，通过最大限度地减少"光损失"，有助于成功实现量子计算。提高量子效率佩鲁佐是皇家墨尔本理工大学量子计算与通信技术卓越中心（ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology，CQC2T）节点的负责人，他介绍说："如果失去光线，就必须重新开始计算，其他潜在的进步包括提高了"不可破解"通信系统的数据传输能力，以及加强了环境监测和医疗保健领域的传感应用。"研究小组的可重新编程光基处理器。资料来源：皇家墨尔本理工大学 Will Wright研发成果研究小组在一系列实验中对光子处理器进行了重新编程，通过施加不同的电压实现了相当于 2500 个设备的性能。他们的研究结果和分析发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。这项创新可以为量子光子处理器带来更紧凑、更可扩展的平台。论文第一作者、皇家墨尔本理工大学博士生杨洋说，这种设备"完全可控"，能在降低功耗的情况下快速重新编程，而且无需制作许多定制设备："我们通过实验在单个设备上展示了不同的物理动态。这就像有了一个开关，可以控制粒子的行为方式，这对理解量子世界和创造新的量子技术都很有用"。合作创新意大利特伦托大学的 Mirko Lobino 教授利用一种名为铌酸锂的晶体制造了这种创新的光子装置，而美国印第安纳大学普渡大学印第安纳波利斯分校的 Yogesh Joglekar 教授则带来了他在凝聚态物理学方面的专业知识。铌酸锂具有独特的光学和电光特性，是光学和光子学各种应用的理想材料。Lobino说："我所在的小组参与了该设备的制造工作，这尤其具有挑战性，因为我们必须在波导顶部微型化大量电极，以实现这种程度的可重构性。"Joglekar说："可编程光子处理器为探索这些设备中的一系列现象提供了一条新的途径，而这些现象将有可能开启技术和科学领域令人难以置信的进步。"推进量子控制与此同时，佩鲁佐的团队还开发出了一种世界首创的混合系统，它将机器学习与建模相结合，对光子处理器进行编程，帮助控制量子设备。量子计算机的控制对于确保数据处理的准确性和效率至关重要。该设备输出精度面临的最大挑战之一是噪声，它描述了量子环境中影响量子比特性能的干扰。微微子是量子计算的基本单位。佩鲁佐说："有一系列行业正在开发全面的量子计算，但它们仍在与噪声造成的误差和低效作斗争。控制量子比特的尝试通常依赖于对什么是噪声以及造成噪声的原因的假设。我们开发了一种协议，利用机器学习来研究噪声，同时利用建模来预测系统对噪声的反应，而不是做出假设。利用量子光子处理器，这种混合方法可以帮助量子计算机更精确、更高效地运行，从而影响我们未来控制量子设备的方式。我们相信，我们的新混合方法有可能成为量子计算领域的主流控制方法。"主要作者、来自皇家墨尔本理工大学的 Akram Youssry 博士说，与传统的建模和控制方法相比，新开发的方法的结果显示出显著的改进，可以应用于光子处理器以外的其他量子设备。他说："这种方法帮助我们发现并理解了我们设备的一些方面，这些方面超出了这种技术的已知物理模型。这将帮助我们在未来设计出更好的设备。"这项工作发表在《Npj Quantum Information》上。未来展望与量子计算的潜力围绕其团队的光子设备设计和量子控制方法，可以创建量子计算方面的初创公司，他们将继续研究其应用及其"全部潜力"。量子光子学是最有前途的量子产业之一，因为光子学产业和制造基础设施已经非常完善。与其他方法相比，量子机器学习算法在某些任务中具有潜在优势，尤其是在处理大型数据集时。"想象一下，在这个世界上，计算机的工作速度比现在快几百万倍，我们可以安全地发送信息而不必担心信息被截获，我们可以在几秒钟内解决目前需要几年才能解决的问题。这不仅仅是幻想这是由量子技术驱动的潜在未来，而像我们这样的研究正在铺平道路。"编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

量子纠缠光子在波士顿街道下飞行了35公里

量子纠缠光子在波士顿街道下飞行了35公里 访问：NordVPN 立减 75% + 外加 3 个月时长 另有NordPass密码管理器 就像我们所熟知的互联网一样，量子网络通过光这里是量子纠缠光子来发送信息。但是，它们需要"中继器"，以防止这些光子像光通常所做的那样发生长距离散射，而且中继器必须能够在不破坏光子纠缠和修改信息的情况下发送光子。本次演示中部署的量子链路图。携带与量子存储器纠缠的量子信息的光子穿过剑桥和波士顿的多个街区，行程超过 35 公里，然后返回哈佛大学，在另一个实验室中将其纠缠转移到另一个存储器上。哈佛大学和 AWS 称，这些实验节点利用钻石中的空腔"捕获光线并迫使其与量子存储器相互作用"。这些节点可以利用现有的纳米加工技术批量生产。在实验过程中，研究小组将一个量子比特编码成一个光子，并将其从哈佛大学实验室的量子存储器上弹出。以下是文档摘录：当光子与量子存储器相互作用时，它就会与存储器纠缠在一起这意味着对光子或 存储器进行的测量都会提供对方的状态信息（从而修改对方的状态）。然而，光子并没有被测量（从而提取信息），而是经过量子频率转换，从可见光频率（量子存储器工作的频率）转换到电信频率（光纤中的损耗最小的频率）。然后，（现在是电信频率的）光子在地下光纤网络中来回穿梭，最后返回哈佛大学，并在那里被转换回可见光频率。最后，光子从第二个存储器弹出后，被送往一个探测器，探测器会记录光子的存在，但不会显示光中包含的任何潜在量子信息。然后，光子从可见光频率转换为电信频率，再反弹到不同的实验室，从而完成旅程。AWS 称，早期实验显示，量子纠缠光子的传输距离超过 35 公里。纠缠光子的存储时间超过一秒，该公司称这"足以让光传播 30 多万公里"，足以绕地球 7.5 圈。网络中使用的设备示意图。位于一个光子设备（左下）内的 SiV 与光子纠缠，光子穿过电信光纤（上），然后与位于不同位置（右）的量子存储器相互作用。最终，两个空间上分离的量子存储器之间产生了纠缠。能源部解释说，量子网络与量子计算的原理相同，都是利用光子的量子态来携带信息。量子网络的实验已经进行了一段时间了，但还没有人制造出完全商业化的版本。AWS 表示，在其量子网络具备可扩展性和商业可行性之前，还需要进行更多改进。到目前为止，它的速度还很慢，而且一次只能发送一个量子存储器。 ... PC版： 手机版：