哈佛SEAS研发新型电光转换器件，突破光子计算与信号处理技术瓶颈

    2025年8月28日，美国马萨诸塞州剑桥市电——针对下一代光子计算与信号处理系统所面临的重大技术瓶颈，哈佛大学约翰·A·保罗森工程与应用科学学院（HarvardJohnA.PaulsonSchoolofEngineeringandAppliedSciences，简称SEAS）的研究团队研发出一种新型器件，可在单一流程中实现数字电信号与模拟光信号的高效转换。该器件基于铌酸锂芯片构建，为当前高速数据网络中广泛应用但能耗较高的数模转换与电光调制系统，提供了潜在替代方案。

    该研究资深作者、SEAS林天斋电气工程教授MarkoLoncar指出：“光学通信与高性能计算（包括大型语言模型）的运行，需在电子域（用于数据存储与计算）与光学域（用于数据传输）之间实现海量数据的转换。若要使光子技术与电子技术实现无缝集成，二者间的接口必须具备高速、低能耗的特性。”

    当前，数字电信号向模拟光信号的转换过程，需通过电子数模转换器（Digital-to-AnalogConverter，简称DAC）与电光调制器（Electro-OpticModulator，简称EOM）协同完成，该过程是现代数据中心收发器系统的核心环节。然而，现有流程往往存在结构复杂、层级繁多的问题，且整体能耗较高。

    下图为艺术家绘制的电光数模转换器示意图，展示了电子与光学领域间的高速信息传输。图片由SecondBayStudios/哈佛SEAS提供。

    该研究共同第一作者、Loncar实验室研究生宋云翔表示：“当采用光进行计算时，利用光技术所节省的全部能耗与提升的传输速率，均会被此类体积庞大、成本高昂且效率低下的电子器件所抵消——这类器件是将数字信号（0和1）转换为正弦波、方波、三角波等具有实际意义波形的必需设备。事实上，这类器件已成为多种光子计算应用中的性能瓶颈……因此，我们的核心问题是：能否设计出一种新型光子调制器，从而省去对传统电子数模转换器的依赖？”

    此次研发的器件恰好解决了这一问题：其基于薄膜铌酸锂的高效电光特性，可将纯数字电输入信号直接转换为模拟光信号，信息传输速率高达186Gb/s，较典型家用互联网速度高出一个数量级。此外，该器件还可为微波光子学领域的发展提供助力——例如在无线通信或雷达系统中，其可与光检测技术结合，实现光信号到电信号的转换，进而生成射频信号。

    值得注意的是，当前新兴光学计算技术（即采用光而非电子进行计算）正受到行业广泛关注：光子具有以并行方式处理数据的潜力，且处理效率显著高于传统电子技术，此项研究恰处于这一技术趋势的关键节点。该研究共同第一作者、哈佛SEAS前博士后研究员（现北京大学助理教授）胡耀文指出：“我们的研究成果有望解决当前计算与数据互连领域的瓶颈问题，尤其在人工智能技术领域具有重要应用价值。”

    为验证该器件在数据处理中的精准性与高速性，研究团队采用光学编码方式，对知名MNIST数据集（手写数字图像数据集）中的图像进行处理，以此完成对器件性能的测试。

    在器件制造环节，研究人员采用了哈佛初创公司HyperLightCorporation研发的铌酸锂代工工艺，该工艺与硅芯片的制造流程相似。通过这一方式，研究团队不仅证实了该器件在特定应用场景下的有效性，还证明其可实现高产量、低成本制造——这一成果为新型光子技术（可对硅光子学形成补充）的规模化发展进一步铺平了道路。