国科大杭州高等研究院Nature Photonics | 片上通讯波段光电逻辑门

光子和电子是最基本的传输和计算载体。1849年英国数学家George Boole首先提出了进行逻辑运算的数学方法—布尔代数，被广泛应用于解决开关电路和数字逻辑电路的分析和设计中。在传统方式中，传感器将光信号转换成电信号，在电路中进行逻辑计算。人工智能时代下，传感端的数据量大幅增长，集成电路面临摩尔定律难以延续的瓶颈，硅基光电子芯片成为后摩尔时代换道超车的核心技术，高效、高集成的光电子混合计算方案成为了亟待解决的关键科学问题。

光电逻辑门把逻辑算法耦合到光电传感单元，将逻辑运算能力带到原始图像信息发源的最前端。它按照指定的因果关系对光信息进行推理运算，再以电信号的形式输出，成为全电逻辑门和全光逻辑门的重要补充，有望成为下一代逻辑电路的基本单元。近年来，国内外科学家在这方面相继开展了深入研究。但当前的光电逻辑门仅限于紫外和可见波段的基本线性逻辑功能，针对应用前景更广泛的通讯波段片上光电逻辑门的方案仍然没有提出来。

硅波导和黑磷的集成平台在实现高集成、高效光电运算方面具有独特优势，无需考虑晶格匹配的限制。通过模拟器件电位分布并设计编程方式，获得了多种二位布尔逻辑门以及复合逻辑功能。受益于高性能范德华异质结，器件在通讯波段（1.55μm）表现为高灵敏（0.35 A/W）和快速响应能力（230 MHz），这表明器件具备快速处理微弱光信号的能力。进一步地将片上光电逻辑门应用在智慧交通激光雷达领域中，演示了边缘提取、符号识别、图像融合以及加密解密应用，为新型光电逻辑计算芯片带来了新的机遇。

图2：硅基光电芯片集成的片上光电逻辑门设计方案

杭高院特聘副研究员贺婷为第一作者。胡伟达研究员、李庆副研究员和浙江大学林宏焘研究员为该论文的通讯作者。该项研究工作得到中国科学院、国家自然科学基金委、上海市科委、中国博士后基金委、杭州市科委、红外科学与技术重点实验室的资金支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41566-023-01309-7

贺婷，国科大杭州高等研究院特聘副研究员。主要从事新型硅基集成红外探测器件机理研究，以第一/通讯作者在Nature Photonics、InfoMat、Small、Advanced Optical Materials、Optical Letters等国际期刊发表SCI论文9篇，授权发明专利2项，主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目、上海市自然科学基金项目。获得2021年上海市优秀毕业生和2022年度Wiley威立中国开放科学年度作者、ESIT最佳论文奖等奖项。

李庆，国科大杭州高等研究院副研究员，主要从事红外光电器件应用研究。以第一/通讯作者在Nature Photonics、Small、Optics Express、Applied Physics Letters、IEEE Transactions on Electron Devices等发表SCI收录论文13篇，授权发明专利2项，主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、中国博士后基金特别资助项目、上海市自然科学基金项目等，获得2020年院长优秀奖、中国物理学会2021年度最有影响论文奖等。