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重慶研究院在響應(yīng)波段自分辨光電探測(cè)和光電邏輯運(yùn)算器件研究上取得進(jìn)展
2024-05-10 11:03:23重慶綠色智能技術(shù)研究院閱讀量：208 我要評(píng)論
【化工機(jī)械設(shè)備網(wǎng) 技術(shù)前沿】基于電子的邏輯運(yùn)算是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。然而，隨著半導(dǎo)體集成電路尺寸的不斷縮小，互聯(lián)串?dāng)_以及電阻焦耳熱等問題愈發(fā)明顯。近年來，光電邏輯運(yùn)算(optoelectronic logic operation)的提出，為解決電子邏輯運(yùn)算面臨的難題提供了新思路。利用光子傳輸信號(hào)，可以有效減小互聯(lián)信號(hào)的串?dāng)_，并消除電路互聯(lián)中電阻引起的焦耳熱影響。 
近日，重慶綠色智能技術(shù)研究院微納制造與系統(tǒng)集成研究中心在Cell Press細(xì)胞出版社旗下期刊《Device》上以“An All-in-One Optoelectronic Logic Device with Self-Distinguishable Dual-Band Photoresponse”為題發(fā)表研究論文，提出了一種響應(yīng)波段自分辨的“全在一”光電邏輯器件。通過在紫外波段和近紅外波段產(chǎn)生可調(diào)諧的雙方向光電流(即正光電流和負(fù)光電流)，從而自動(dòng)識(shí)別入射光的波段。這一特性極大增強(qiáng)了器件電信號(hào)的光學(xué)調(diào)控自由度，使其能實(shí)現(xiàn)三種邏輯狀態(tài)和五種基本邏輯運(yùn)算。相關(guān)研究結(jié)果為開發(fā)高集成、多功能的光電邏輯器件提供了重要的參考。
作為光電邏輯運(yùn)算的核心，光電探測(cè)器能夠?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并進(jìn)一步用于獲得可處理的數(shù)字信號(hào)。傳統(tǒng)光電探測(cè)器通常產(chǎn)生方向單一的光電流，導(dǎo)致相關(guān)的光電邏輯器件只能實(shí)現(xiàn)單個(gè)邏輯功能，需要增加額外的電路布局來擴(kuò)展其邏輯功能。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，微納制造與系統(tǒng)集成研究中心提出了響應(yīng)波段自分辨的光電邏輯器件結(jié)構(gòu)，獲得了與入射光波段相關(guān)的雙方向光電流，并在單個(gè)器件上實(shí)現(xiàn)了多種邏輯運(yùn)算功能(圖1)。
圖1. 利用響應(yīng)波段自分辨光電邏輯器件實(shí)現(xiàn)光電邏輯運(yùn)算示意圖
為了精確表征該光電邏輯器件的雙向光響應(yīng)性能，依次使用紫外(375 nm)和近紅外(1550 nm)激光照射該器件，并記錄輸出光電流。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看到，當(dāng)入射光波長(zhǎng)從375 nm變?yōu)?550 nm時(shí)，光電流方向從“正”變?yōu)?ldquo;負(fù)”。該器件在375 nm和1550 nm光照下的響應(yīng)度達(dá)到了+104 A/W和-800 A/W(圖2)，表明該器件能夠高效地將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。
圖2. 響應(yīng)波段自分辨光電邏輯器件的雙方向光響應(yīng)。(a) 雙方向光響應(yīng)的測(cè)試過程示意圖。(b) 該器件響應(yīng)紫外和近紅外光的I-T曲線。插入圖：黑暗環(huán)境下的I-V曲線。(c, d) 紫外和近紅外光照下，隨光功率密度變化的光電流和響應(yīng)度
搭建了一個(gè)以該器件為核心，包括紫外(UV)光源、近紅外(NIR)光源、信號(hào)采樣電路、上位機(jī)以及雙色發(fā)光二極管(LED)的演示系統(tǒng)(圖3)。當(dāng)UV光入射時(shí)，雙色LED燈發(fā)藍(lán)光；當(dāng)NIR光入射時(shí)，雙色LED燈發(fā)綠光；當(dāng)沒有光入射時(shí)，雙色LED燈不發(fā)光。LED燈的三種狀態(tài)，即沒有燈亮、藍(lán)色燈亮和綠色燈亮，分別對(duì)應(yīng)“0”、“1”和“-1”三種邏輯狀態(tài)。
圖3. 使用響應(yīng)波段自分辨光電邏輯器件實(shí)現(xiàn)三種邏輯狀態(tài)
此外，該光電邏輯器件還能夠執(zhí)行“與-AND”、“或-OR”、“非-NOT”、“與非-NAND”和“或非-NOR”五個(gè)基礎(chǔ)邏輯功能。值得強(qiáng)調(diào)的是，這種利用調(diào)制光切換邏輯功能的方法具有可逆性和重復(fù)性的優(yōu)點(diǎn)。此外，該技術(shù)不需要依賴于復(fù)雜的外部電路設(shè)計(jì)，為在單個(gè)器件上實(shí)現(xiàn)多種光電邏輯運(yùn)算提供了一種高效且巧妙的解決方案。
上述工作得到了重慶研究院“十四五”科技創(chuàng)新規(guī)劃主攻方向之一“碳基光電探測(cè)器”的支持，以及科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。微納制造與系統(tǒng)集成研究中心博士研究生付津滔為論文的第一作者，魏興戰(zhàn)研究員為通訊作者。
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