基于電子的邏輯運算是現代計算機處理系統的基礎。然而，隨著半導體集成電路尺寸的不斷縮小，互聯串擾以及電阻焦耳熱等問題愈發明顯。近年來，光電邏輯運算(optoelectronic logic operation)的提出，為解決電子邏輯運算面臨的難題提供了新思路。利用光子傳輸信號，可以有效減小互聯信號的串擾，并消除電路互聯中電阻引起的焦耳熱影響。
 

　　近日，重慶綠色智能技術研究院微納制造與系統集成研究中心在Cell Press細胞出版社旗下期刊《Device》上以“An All-in-One Optoelectronic Logic Device with Self-Distinguishable Dual-Band Photoresponse”為題發表研究論文，提出了一種響應波段自分辨的“全在一”光電邏輯器件。通過在紫外波段和近紅外波段產生可調諧的雙方向光電流(即正光電流和負光電流)，從而自動識別入射光的波段。這一特性極大增強了器件電信號的光學調控自由度，使其能實現三種邏輯狀態和五種基本邏輯運算。相關研究結果為開發高集成、多功能的光電邏輯器件提供了重要的參考。
 

　　作為光電邏輯運算的核心，光電探測器能夠將光信號轉化為電信號，并進一步用于獲得可處理的數字信號。傳統光電探測器通常產生方向單一的光電流，導致相關的光電邏輯器件只能實現單個邏輯功能，需要增加額外的電路布局來擴展其邏輯功能。針對這一挑戰，微納制造與系統集成研究中心提出了響應波段自分辨的光電邏輯器件結構，獲得了與入射光波段相關的雙方向光電流，并在單個器件上實現了多種邏輯運算功能(圖1)。
 

圖1. 利用響應波段自分辨光電邏輯器件實現光電邏輯運算示意圖
 

　　為了精確表征該光電邏輯器件的雙向光響應性能，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。根據測試結果可以看到，當入射光波長從375 nm變為1550 nm時，光電流方向從“正”變為“負”。該器件在375 nm和1550 nm光照下的響應度達到了+104 A/W和-800 A/W(圖2)，表明該器件能夠高效地將光信號轉化為電信號。
 

　　圖2. 響應波段自分辨光電邏輯器件的雙方向光響應。(a) 雙方向光響應的測試過程示意圖。(b) 該器件響應紫外和近紅外光的I-T曲線。插入圖：黑暗環境下的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度

 

　　搭建了一個以該器件為核心，包括紫外(UV)光源、近紅外(NIR)光源、信號采樣電路、上位機以及雙色發光二極管(LED)的演示系統(圖3)。當UV光入射時，雙色LED燈發藍光；當NIR光入射時，雙色LED燈發綠光；當沒有光入射時，雙色LED燈不發光。LED燈的三種狀態，即沒有燈亮、藍色燈亮和綠色燈亮，分別對應“0”、“1”和“-1”三種邏輯狀態。
 

圖3. 使用響應波段自分辨光電邏輯器件實現三種邏輯狀態
 

　　此外，該光電邏輯器件還能夠執行“與-AND”、“或-OR”、“非-NOT”、“與非-NAND”和“或非-NOR”五個基礎邏輯功能。值得強調的是，這種利用調制光切換邏輯功能的方法具有可逆性和重復性的優點。此外，該技術不需要依賴于復雜的外部電路設計，為在單個器件上實現多種光電邏輯運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”科技創新規劃主攻方向之一“碳基光電探測器”的支持，以及科技部國家重點研發計劃等項目的資助。微納制造與系統集成研究中心博士研究生付津滔為論文的第一作者，魏興戰研究員為通訊作者。