香港城市大学王骋教授团队：薄膜铌酸锂微波光子芯片丨中国光学十大进展专栏·封面

香港城市大学王骋教授团队基于薄膜铌酸锂平台，研制了集成微波光子处理引擎，将高速电光调制与低损耗光信号处理相结合，实现67 GHz处理带宽，对采样率最高达256 GSa/s的信号完成模拟运算，并演示了图像边缘提取与光子辅助医学图像分割。相关成果以“Integrated lithium niobate microwave photonic processing engine”为题发表于Nature，入选2024“中国光学十大进展”。

围绕这一成果及相关领域进展，团队受邀为《激光与光电子学进展》“中国光学十大进展”专栏撰写题为“薄膜铌酸锂集成微波光子学”的综述论文。从基础器件出发，梳理薄膜铌酸锂在通信、感知和信号处理中的代表性研究，并重点介绍集成微波光子处理引擎的工作原理与应用。

封面解读

封面以薄膜铌酸锂光子芯片为核心，将片上调制器件、数据处理单元与无线通信基站联系起来。各数据处理单元通过光互联交换数据，并通过光纤与芯片相连；芯片与基站之间则通过电学链路传输微波信号。封面融合微波、光信号与薄膜铌酸锂芯片三类核心元素，通过光互联、无线通信和信号处理等应用场景，展现铌酸锂微波光子技术的应用潜力。

全文链接：葛通, 任宇杰, 陶源盛, 谢祥芝, 吴怡凡, 冯寒珂, 王骋. 薄膜铌酸锂集成微波光子学（特邀）‡[J]. 激光与光电子学进展, 2026, 63(19): 1900001. 

无线通信需要传输更多数据，雷达需要分辨更精细的目标，信息处理则需要在更短时间内完成大量运算。这些需求推动射频系统向更高频率、更大带宽发展，也对电子器件的带宽、功耗和互连提出了更高要求。传统微波光子系统通常由分立调制器、光纤及其他光学器件搭建，体积和环境稳定性限制了其进一步应用。将这些功能移到芯片上，需要同时解决高效电光转换与低损耗光信号处理的问题。薄膜铌酸锂恰好兼具这两方面的优势：铌酸锂的线性电光效应可使外加电场快速调控光信号，薄膜化与微纳加工则增强光场约束，使调制器、微环和干涉仪等器件能够紧凑集成。这让薄膜铌酸锂逐步从调制器材料发展为支持多种微波光子功能的集成平台。

一条微波光子链路需要多种器件协同工作。分束器、波导交叉和偏振控制器件负责组织光路；各类电光调制器将射频信息写入光波；微环谐振器、干涉仪及延迟结构对光信号的幅度和相位进行处理；探测器则完成光电转换。面向更完整的系统，激光器与光放大器的集成同样关键。

近年来，薄膜铌酸锂器件的进展已覆盖上述多个环节。低损耗波导和高品质因子微腔提供了光信号存储、选择和处理的基础；高速调制器、电光频率梳和单边带调制器拓展了信号生成与频谱调控能力；异质集成和掺杂等技术则逐步补充了光源、增益和探测功能。器件之间的连接损耗、工作点稳定性和失真控制，也因此成为系统设计需要共同考虑的问题。

这些进展的意义在于，研究者可以围绕应用需求组织片上光路，将电光转换、可调滤波与模拟运算组合起来，而不再局限于提升某一个独立器件的性能。

图1 薄膜铌酸锂微波光子系统组成示意，包括光源、光路控制、电光调制、放大、信号处理和探测等功能

无线通信需要稳定的信号源，也需要在不同频段之间灵活搬移信息。薄膜铌酸锂的宽带电光调制能力，使微波信号生成、调制与变频能够在同一材料平台上协同实现。图2集中展示了光电振荡器与光子混频器两类代表性方案。

2025年北京大学王兴军团队与香港城市大学王骋团队合作，将电光调制器、微环等关键功能单元集成于芯片，构建了宽带可调的光子无线通信平台。光电振荡器利用包含光学器件与电子反馈的闭环产生微波信号，微环负责选择所需频率成分，实现了0.5~115 GHz范围内的宽频调谐，并在多个通信频段开展无线传输，图2所示实验的单通道传输速率最高达100 Gbit/s。图2（a）~（e）依次呈现平台架构、信号生成、无线链路及传输结果，展示了同一光子架构适配不同射频频段的能力。

光子混频器则承担频率转换。图2（f）、（g）所示方案利用电光频率梳提供多阶本振，通过片上调制与滤波选择参与混频的光学频率分量，再由光电探测获得所需输出，实现20~67 GHz输入信号的可重构下变频，并演示了最高至110 GHz的上变频，为宽带毫米波收发提供了另一项关键功能。

图2 薄膜铌酸锂通信应用。（a）光子无线通信平台；（b）、（c）光电振荡器结构与输出频谱；（d）、（e）无线链路与不同频段的星座图；（f）光子混频器架构与原理；（g）不同混频阶次的下变频关系及转换效率

光子技术既能探测外部目标，也能测量芯片内部的光学响应。图3（a）~（c）展示了薄膜铌酸锂片上光矢量分析：将调制、滤波与待测器件集成，通过电光调制与光电探测，将光学响应映射到可测量的电信号中，同时获得器件的幅度和相位信息。该方法已用于表征微环、耦合谐振器和电光频率梳等结构，为分析片上器件特性提供了更完整的测量手段。

图3（d）~（g）则将目光转向外部环境。集成光子毫米波雷达利用光域倍频与解调，实现宽带雷达信号的生成和接收处理。该雷达工作于40~50 GHz频段，10 GHz带宽对应1.50 cm的理论距离分辨率。实验还完成了测速与逆合成孔径成像，展示了薄膜铌酸锂微波光子技术在精密感知中的应用能力。

图3 薄膜铌酸锂感知应用。（a）—（c）片上光矢量分析架构及器件幅度、相位响应测量；（d）—（g）集成光子毫米波雷达及测距、测速和成像结果

除了传输和测量，光子器件还可以直接参与运算。通过设计光路的频率响应，输入信号的不同频率成分会按特定规律改变幅度和相位，从而在设计带宽内实现积分、微分等模拟处理功能。这种方法利用光在器件中的传播与干涉完成运算，为高速信号处理提供了新的硬件途径。

香港城市大学王骋团队提出的集成微波光子处理引擎，将高速电光调制器与微环、马赫–曾德尔干涉仪等单元集成于薄膜铌酸锂平台。微环中光场的积累与衰减可用于积分和常微分方程求解，干涉结构对不同时延光信号的组合则可用于微分。通过设计与组合这些单元，研究团队实现了一阶、二阶积分与微分等功能，图4展示了其中的积分运算和常微分方程求解。

该引擎同时将晶圆级制备、宽带电光转换和低损耗光信号处理结合，实现67 GHz处理带宽，并处理了采样率达256 GSa/s的高速信号，即每秒2560亿个采样点。微分实验还处理了主瓣半高全宽约9.6 ps的脉冲，展示了器件对快速波形变化的响应能力。

图4 集成微波光子处理引擎。（a）集成架构示意；（b）积分运算结果；（c）积分运算的时域与频域原理；（d）~（f）常微分方程求解原理与实验结果

微分运算对信号的快速变化敏感，因此适合提取图像边缘。将像素信息编码为时间序列后，图像中的亮度变化被转化为电信号的变化，经过光子微分处理，物体轮廓得到突出，再将输出恢复为空间图像，便可获得边缘信息。

实验中，香港城市大学王骋团队将一幅250×250像素的香港城市大学标志图像编码为高速数据流，在244 ns内完成相应的光子边缘处理。以模拟结果为参照，实验的边缘提取准确度为96.6%。这一时间对应边缘处理数据流的持续时间，反映了光子前端执行该项运算的速度。

在此基础上，团队将光子提取的边缘信息与原始皮肤病变图像共同输入深度神经网络，实现光子辅助图像分割。边缘信息作为辅助特征，帮助网络识别病灶轮廓并确定分割边界。光子芯片负责快速提取边缘特征，电子网络完成后续分割，展示了高速光子处理与电子算法协同工作的应用方式。

图5 光子图像处理演示。（a）标志图像的高速边缘提取；（b）结合边缘信息的电子神经网络结构；（c）皮肤病变图像的边缘提取与分割示例

从宽带通信、精密感知到模拟计算，薄膜铌酸锂正在将高速调制与低损耗光路的优势转化为多种系统功能。集成微波光子处理引擎进一步表明，光子芯片能够直接承担具有明确数学形式的高速运算，为光电协同信息处理提供硬件基础。

迈向实际部署，还需要继续完善光源、探测器及电子控制电路的集成，提升封装效率、制造一致性和长期运行稳定性。随着光路规模扩大，校准与重构也将成为保障系统性能的重要环节。器件、工艺与系统的协同发展，将推动薄膜铌酸锂微波光子技术在宽带无线网络、精密测量和高速信息处理等场景中进一步发挥作用。

作

者

简

介

葛通，香港城市大学学士（王骋教授课题组），现为哈佛大学博士研究生（Marko Loncar课题组）。研究兴趣包括集成光子学、微波光子学与非线性光学。相关成果入选2024“中国光学十大进展”。

冯寒珂，香港城市大学电机工程学系研究助理教授（Research Assistant Professor）。2024年获香港城市大学博士学位。主要从事集成光子器件与电路、微纳加工及薄膜铌酸锂微波光子学研究，面向无线通信、高分辨率雷达和光子人工智能等应用。在Nature、Nature Photonics、Nature Communications、Science Advances 等期刊发表研究成果。入选香港研究资助局2025/26年度Junior Research Fellow Scheme。相关研究入选2024“中国光学十大进展”，2025“中国光学十大进展”，以及2025“中国十大科技进展”。

王骋，香港城市大学电机工程学系纳米光子学讲座教授。2012年获清华大学学士学位，2017年获哈佛大学博士学位，随后在哈佛大学从事博士后研究，2018年加入香港城市大学。主要研究薄膜铌酸锂集成光子器件、微纳加工及其在光通信、微波与毫米波光子学、非线性光学和量子光子学中的应用。曾获2020年裘槎前瞻科研大奖，入选2021年《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”（中国），获2024年达摩院青橙奖，并入选2025年科睿唯安全球高被引科学家名单。相关研究入选2024“中国光学十大进展”，2025“中国光学十大进展”，以及2025“中国十大科技进展”。