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    因为光芒追踪的计较强渡过高及当前电子平台的机能限定，及时、物理传神的衬着是空间计较体系中的一个庞大挑战。近日，华中科技年夜学武汉光电国度研究中央董建绩传授、夏金松传授团队结合华为伽利略进步前辈技能试验室，乐成研制全世界首款用在光芒追踪加快的光子计较芯片（PRTC）。此芯片基在薄膜铌酸锂（TFLN）的高带宽、高线性及卓着效率等长处，实现了每一次操作326毫焦耳（fJ/OP）的能量效率，证实了利用光子芯片举行光芒追踪的可行性，有用地降服了光学计较体系的ADC瓶颈。详细内容以 Thin- lm lithium niobate photonic circuit for ray tracing acceleration 为题发布于《Nature Co妹妹unications》上。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61234-x

空间计较经由过程将数字信息与物理世界无缝集成，正于完全转变各个范畴。其要害方面之一是实实际时、物理传神的衬着，这对于在提供视觉上正确及交互式的体验至关主要。光芒追踪是这方面的一项要害技能，经由过程切确建模反射、折射及暗影来模仿光芒的举动，以孕育发生传神的图象或者视频。

然而，光芒跟踪中最年夜的计较承担是确定光芒是否与场景中的对于象订交。这些计较中的年夜大都触及界限体积条理布局（BVH）中的射线盒订交测试，然而，传统计较硬件于处置惩罚及时运用所需的年夜量射线箱订交测试方面面对着庞大挑战。为降服现有硬件架构的局限性，实现更高效的及时衬着。光学计较已经成为下一代计较硬件平台的有远景的候选者。可是，现有的光学计较体系面对着两年夜挑战，限定了它们的实用性及广泛采用。

起首，硅光子学因为其基在自由载流子的调制机制，致使非线性电光相应、载流子接收损耗及有限的相应速率，影响旌旗灯号通报性、功耗及事情带宽；其次，将光学计较与电子处置惩罚体系毗连所需的模数转换器（ADC），于模仿光学计较架构时凡是会遭遇巨年夜的功耗。

是以，该研究团队提出了一种基在薄膜铌酸锂（TFLN）光子学的光子射线追踪焦点（PRTC）来解决光芒追踪硬件的速率及能耗等要害问题。此PRTC旨于于光学域内举行射线箱交织测试，使用光子学的固有上风来加快这项计较密集型使命。经由过程使用TFLN光子学，PRTC降服了与硅光子学相干的机能衡量，于CMOS兼容电压及100GHz电光带宽下实现了线性光场相应，年夜年夜跨越了传统硅基光子器件的能力。此外，PRTC经由过程降低射线追踪使命中的ADC位宽要求来解决ADC功耗挑战。研究职员可以或许将ADC位宽减小到单个位，有用地最年夜限度地削减了与模数转换相干的功耗，并实现了326 fJ/OP的能量效率。

所研究的PRTC与TFLN平台的特性如图1所示。所制造的PRTC芯片的总体布局如图1a所示，具备四个推挽式MZM调制器，每一个调制器的长度为6妹妹。图1b显示了波导侧壁的扫描电子显微镜图象，展示了制造质量。芯片的射频封装如图1c所示，此中行波电极的一端毗连到射频输入毗连器，另外一端毗连到匹配电阻器，以得到最好的射频机能。

图1 PRTC的TFLN平台。a PRTC芯片总体布局的照片。b 波导侧壁的扫描电子显微镜图象。c 芯片的RF封装。d 用在监测的芯片光电探测器。e MZM的归一化光传输是施加电压的函数。f 光场对于驱动电压的相应、线性相应（蓝线）、丈量成果（橙线）。g PRTC芯片中MZM的电光相应。

TFLN平台的电光机能如图1e-g所示。光场对于驱动电压的相应如图1f所示，此中蓝线暗示抱负的线性相应，橙线暗示丈量成果。因为铌酸锂的高线性度，丈量的相应与线性相应显示出极好的一致性，于1Vpp操作下实现了优在99.3%的线性度，于2Vpp操作下到达了97.9%的线性度。这类精彩的线性特征使输入电压可以或许直接映照到光场，而不需要查找表电路，从而显著降低了外围电路的繁杂性。图1g显示了MZM的电光相应，显示了约100GHz的3dB带宽，注解与现有硬件体系比拟，计较速率可能提高近两个数目级。这类高带宽，再加之TFLN平台精彩的线性及CMOS兼容性，使其尤其合适高速光学计较运用。

图2a为PRTC的试验演示，以评预计算精度。事情于1550nm波长的持续波（CW）激光器用作光源，其输出被指导到PRTC芯片中。于输出端口举行相关光束组合以前，光旌旗灯号由四个片上TFLN调制器举行调制。然后，输出光功率经由过程光电探测器（PD）转换为电旌旗灯号，并利用示波器记载以供阐发。四个TFLN调制器的调制旌旗灯号是利用四信道高速肆意波形发生器（AWG）天生的。数据速度设置为16GS/s（每一秒64千兆采样，每一个数据点4个采样）。经由过程利用运用在TFLN调制器的四组10000个随机值举行测试，验证了PRTC的计较精度（图2a）。对于丈量成果阐发发明，试验丈量值与地面真实值之间的偏差于16GS/s时的尺度误差为2.21%，对于应在5.57位的计较精度（图2b-e）。

图2 PRTC计较精度的试验特性。a PRTC演示的试验装配。b，c 16GS/s随机输入的试验输出成果。d 用在计较4组10000个随机输入的精度丈量的散点图。e 10000个数据样本的计较偏差直方图。

为了体系地评估PRTC的计较能力，起首利用综合验证框架举行了广泛的射线箱订交测试。此PRTC以16 GS/s的数据速度运行，于交织口检测方面取患了94.6%的整体正确率。图3a显示了100个测试用例的代表性质集的二进制分类成果。为了深切相识PRTC的鉴别能力，图3b展示了九个特性测试用例和其响应的几何配置及计较输出。当所有六个值都为正时，满意订交尺度，从数学上证实光芒相对于在整个边沿环连结一致的侧向性。

图3 射线箱交会测试PRTC的试验变化。a 对于100组16GS/s数据速度的射线箱交会测试的试验成果。b 100组交集测试成果中的9组，此中每一个子图的左边显示交集的输出，右边显示响应射线及框的可视化。

于光芒盒截面测试中验证了PRTC的正确性后，进一步评估了其于完备光芒追踪衬着运用中的机能。研究职员构建了三个具备差别质料特征及几何配置的测试场景。质量指标显示，PRTC实现了与传统计较相称的高精度衬着成果，如图4所示。这些指标注解，PRTC不仅保留了总体视觉外不雅，并且正确地捕获了细节及质料属性，证实了此光学计较要领于真实衬着运用中的鲁棒性。

图4 光芒追踪衬着成果。a 衬着前的三个测试场景。b 由传统计较机衬着的参考图象。c PRTC衬着的图象.

总之，该团队所设计的PRTC作为光芒追踪加快的光子对于应物，可以年夜年夜加快光芒交织历程，减轻电气元件的承担。如表1所示，与现有的电子及光学平台比拟，此PRTC于计较速率及能源效率方面都有了本色性的提高。

表1 PRTC与开始进的电子及光学计较平台的机能比力

PRTC的乐成突显了光学计较体系设计中的一个要害原则：将计较架构与特定运用需求相匹配的主要性。经由过程专注在射线盒交织测试并使用其二进制特征，经由过程单比特ADC实现了本色性的机能晋升。这类要领展示了特定在运用步伐的优化怎样开释光学计较平台的全数潜力。

瞻望将来，这项事情呈现了几个有远景的研究标的目的。起首，于降低事情电压及提高集成密度方面有了前进，可以进一步提高基在PRTC的体系的机能及效率。其次，经由过程采器具有二进制驱动能力的分段TFLN调制器，可以消弭外部DAC开消，实现PRTC及数字电子芯片之间的无缝接口。末了，PRTC技能与新兴加强实际体系的整合为开发将高机能与能源效率相联合的下一代空间计较平台提供了时机。经由过程配合设计电子管道及光子接口以最年夜限度地提高并行性，PRTC可以于这些运用中充实阐扬其潜力。

转自：恒元光电

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