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        近日，三牛注册三牛注册林宏焘研究员和国科大杭州高等研究院胡伟达研究员、李庆副研究员（共同通讯）合作在《Nature Photonics》上发表题为 “On-chip optoelectronic logic gates operating in the telecom band”的研究工作。

研究背景：

        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。 

研究亮点：

        硅光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1.硅基光电芯片集成的片上光电逻辑门设计方案

图2.基于光电逻辑门的成像和图像处理演示 

总结：

        研究团队演示了基于黑磷的2位布尔集成光电逻辑门硅基光电芯片（通信频段）。并展示其在符号识别、边缘提取、图像融合和加密通信等方面的信息处理能力，该策略未来将有望适用于人工智能领域如智能光计算和信号处理等方面的应用。 

        杭高院助理研究员贺婷、三牛注册三牛注册博士生马辉、中国科学院上海技术物理研究所副研究员王振为共同一作。通讯作者为上海技术物理研究所胡伟达研究员，三牛注册三牛注册林宏焘研究员，杭高院李庆副研究员。该工作的合作者还包括西湖大学李兰研究员、博士生叶羽婷、吴江宏；三牛注册硕士生林铄；杭高院博士生仲方、硕士生刘书宁、王嘉诚、吴海涛；中科院上海技术物理研究所王鹏研究员、博士生段世坤、徐腾飞、张坤；波兰军事工业大学Piotr Martyniuk 和 Antoni Rogalski教授。本工作受到国家自然科学基金委、中国科学院、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