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01导读
近期，福州大学徐金龙与南京大学周林、谢臻达、胡小鹏、祝世宁团队在全光逻辑器件方面取得重要研究进展。基于可重构光场调控技术和液态金属等离激元效应，研究团队首次展示了在单一全光逻辑门结构上集成了全部九种基本的布尔逻辑功能（与门，或门，非门，或非门，与非门，异或门，同或门，蕴含门，蕴含非门），工作带宽可覆盖400-4000nm的可见-中红外超宽带。本工作为高集成、高并行度、大数据密度、高速光子芯片的实现提供了一种可行方案。
研究成果以 “All-in-one, all-optical logic gates using liquid metal plasmon nonlinearity”为题于2024年2月26日发表在Nature Communications [15, 1726 (2024)]上。
02研究背景
随着人工智能、深度学习等前沿科学应用对大规模算力的需求爆发性增长，当前最先进的电子芯片也开始出现计算性能的瓶颈。因此，具有70多年历史的光子计算技术近年来又重新受到广泛关注。光子计算在实时并行处理大密度数据方面具有极为重要的潜力，被认为有望为解决后摩尔时代高速计算的瓶颈提供关键支撑。然而作为光子计算的“心脏”，光子芯片的发展一直受限于光逻辑门较高的集成难度和较窄的工作带宽。
电子芯片可以通过多个单功能逻辑门的组合实现完备的逻辑运算功能，但是受光场空间模式的限制，光逻辑元件的尺寸远大于电子元件，因此简单地组合光元件将导致光子芯片体积庞大冗余。另一方面，常规的光逻辑门其工作带宽通常局限在数十纳米范围内，远不能满足远大规模、大密度数据并行处理能力的需求。因此，探索具有多功能合一、大工作带宽、高响应速度的全光逻辑门结构设计，进而有效提高芯片集成规模和信道数量、降低单个逻辑门的制造成本，已成为光子芯片研发的核心问题之一。
03研究创新点
针对以上迫切问题，研究团队提出了一种多功能可重构的新型全光逻辑门设计方案。如图1a,b所示，基于双光束（控制光和信号光）交叉相位调制作用，通过操控控制光的强度和聚焦位置产生动态可变的非线性折射率场，同时结合操控过程中两光束的波前和相位相对关系，可实现对信号光非线性相位的可逆调控，进而实现信号光的空间模式在高斯基模（定义为“1”）与一阶衍射模式（定义为“0”）之间的可逆转换。这一机制可以灵活地利用信号光的两种空间模式进行多种逻辑运算功能（图c,d以与门和蕴含门为例），进而可在单一的光子器件结构上集成全部九种基本布尔逻辑功能（图e）。
图1.基于动态非线性相位调制实现的可重构全光逻辑门原理。(a)通过动态非线性折射率对信号光非线性相位进行可逆调控的机制。(b)相应的信号光的线性相位
和非线性相位
典型变化。（c,d）不同相位调制条件下实现对不同逻辑门功能的重构机制，以与门(AND)和蕴含门(IMP)为例。(e)九种逻辑门功能的相位调制条件相图。
探索具有大非线性折射率的新型非线性光学材料，是实现高性能全光逻辑门的另一个关键。金属纳米结构的局域表面等离基元（LSP）共振激发，可以在亚波长的空间内对电磁场行成强局域，从而极大增强光与物质的相互作用，这已在微纳光子器件和光子集成领域表现了出巨大的应用潜力。但是基于传统金属（如贵金属）LSP效应的光子器件，其工作带宽通常仅为几十到数百纳米，在发展大带宽光子器件上越来越面临着瓶颈。
在此工作中，研究团队发现基于液态金属GaInSn制备的纳米液滴自组装体（GNAs），由于其室温下的液态特性，可实现柔性可变的尺寸、形态和组装结构（图2a,b）。在这些效应的共同耦合作用下，GNAs表现出400-4000nm超宽光谱的LSP共振激发吸收（图2c），带宽显著优于常用的贵金属等离激元材料。利用此优异特性研究团队实现了对超宽光谱激光的高效相位调控（图2d），测得10-4到10-5量级的巨大非线性折射率，显著优于已报道的非线性纳米材料（图2e），这为实现高性能的全光逻辑门器件奠定了材料基础。
图2.液态金属纳米液滴特性。(a,b)形貌特征、(c)宽光谱的局域等离激元激发、(d)对宽带高斯基模激光进行相位调制产生的衍射环及(e)与已报道典型纳米材料的非线性折射率对比
进一步将GNAs与可重构全光逻辑门方案相结合，研究团队在实验上实现了新型的多功能、超宽带全光逻辑门，在简单的光学结构中就能实现全部九种基本的布尔逻辑门（图3a,b以与门和蕴含门为例）。相比之下，在当前的全光逻辑门方案中，要实现相同功能则需要更加复杂的多种器件结构。而且用532-2000nm宽光谱范围激光作为信号光，均可稳定地复现这九种逻辑运算功能。因此从前述GNAs的超宽带高非线性折射率可推算，逻辑门的工作带宽可覆盖400-4000nm，这也显著优于当前的全光逻辑门方案。通过瞬态吸收测试验证了逻辑门的调制速度可以达到210ps（图3c,d），并且有望通过进一步缩小器件尺寸实现更高速度。
图3.可重构全光逻辑门的性能。(a,b)多功能切换和超宽带运算特性，以与门(AND)和蕴 含门(IMP)为例。(c,d)通过瞬态吸收测试对逻辑门高速调制潜力的评估。
04总结与展望
综上，本工作可有效克服当前全光逻辑门在工作带宽和多功能集成方面的限制，为研制高集成、高并行度光子芯片，实现大密度数据、高速的全光计算提供了一种有前景的技术方案。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46014-3
