光电逻辑门 （OELG） 是下一代逻辑电路的重要组成部分，在光探测和测距、机器视觉以及实时视频分析方面具有潜在应用前景。在电信波段（红外波段）下工作的片上光电逻辑门非常需要与硅基光电子器件相集成，提供更多应用场景。然而，目前操作受限于在紫外波段或可见光波段的线性逻辑功能，并且稀缺用于多种逻辑功能的高性能光电逻辑门。
据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院上海技术物理研究所红外科学与技术重点实验室（红外物理国家重点实验室）胡伟达团队联合国科大杭州高等研究院和浙江大学团队在片上红外光电逻辑门智能芯片研究方面取得了重要进展。
图1 片上红外光电逻辑门智能芯片及其应用演示图
该研究成果以“On-chip optoelectronic logic gates operating in the telecom band”为题，发表在Nature Photonics期刊。
研究人员在硅基光电芯片上设计了多波导红外光信号传输结构（如图2），通过操控范德华红外探测单元的光电开关特性，在短波红外通讯波段实现了多种二位布尔逻辑门以及组合逻辑功能。
图2 集成于硅光子芯片上的Au/黑鳞（BP）/Au器件
基于联合局域场调控的设计思路，让单个原型器件获得了多个单元级联的效果，大幅提升了红外光电逻辑智能芯片的集成度，制备的范德华异质结原型芯片具备高带宽多通道红外光信号处理能力。
图3 电信波段XOR操作光电逻辑门的设计原理
图4 电信波段OR/AND/混合操作光电逻辑门的设计原理
进一步，研究人员验证了片上红外光电逻辑门智能芯片在图像处理和通信领域的潜在应用，演示了其在目标边缘提取、符号识别、红外图像融合以及加密解密等场景下的应用效果（如图5）。该工作有望推进下一代新型光电逻辑计算智能芯片的发展。
图5 基于光电逻辑门的成像和图像处理演示
这项研究获得了中国科学院、国家自然科学基金委、上海市科委等基金的资助和支持。
https://doi.org/10.1038/s41566-023-01309-7
