基于电子的逻辑运算是现代计算机处理系统的基础。然而，随着半导体集成电路尺寸的不断缩小，互联串扰以及电阻焦耳热等问题愈发明显。近年来，光电逻辑运算（optoelectronic logic operation）的提出，为解决电子逻辑运算面临的难题提供了新思路。利用光子传输信号，可以有效减小互联信号的串扰，并消除电路互联中电阻引起的焦耳热影响。

近日，我院微纳制造与系统集成研究中心在Cell Press细胞出版社旗下期刊《Device》上以“An All-in-One Optoelectronic Logic Device with Self-Distinguishable Dual-Band Photoresponse”为题发表研究论文，提出了一种响应波段自分辨的“全在一”光电逻辑器件。通过在紫外波段和近红外波段产生可调谐的双方向光电流（即正光电流和负光电流），从而自动识别入射光的波段。这一特性极大增强了器件电信号的光学调控自由度，使其能实现三种逻辑状态和五种基本逻辑运算。相关研究结果为开发高集成、多功能的光电逻辑器件提供了重要的参考。

作为光电逻辑运算的核心，光电探测器能够将光信号转化为电信号，并进一步用于获得可处理的数字信号。传统光电探测器通常产生方向单一的光电流，导致相关的光电逻辑器件只能实现单个逻辑功能，需要增加额外的电路布局来扩展其逻辑功能。针对这一挑战，微纳制造与系统集成研究中心提出了响应波段自分辨的光电逻辑器件结构，获得了与入射光波段相关的双方向光电流，并在单个器件上实现了多种逻辑运算功能（图1）。

图1. 利用响应波段自分辨光电逻辑器件实现光电逻辑运算示意图

为了精确表征该光电逻辑器件的双向光响应性能，依次使用紫外（375 nm）和近红外（1550 nm）激光照射该器件，并记录输出光电流。根据测试结果可以看到，当入射光波长从375 nm变为1550 nm时，光电流方向从“正”变为“负”。该器件在375 nm和1550 nm光照下的响应度达到了+10⁴ A/W和-800 A/W（图2），表明该器件能够高效地将光信号转化为电信号。

图2. 响应波段自分辨光电逻辑器件的双方向光响应。(a) 双方向光响应的测试过程示意图。(b) 该器件响应紫外和近红外光的I-T曲线。插入图：黑暗环境下的I-V曲线。(c, d) 紫外和近红外光照下，随光功率密度变化的光电流和响应度

搭建了一个以该器件为核心，包括紫外（UV）光源、近红外（NIR）光源、信号采样电路、上位机以及双色发光二极管（LED）的演示系统（图3）。当UV光入射时，双色LED灯发蓝光；当NIR光入射时，双色LED灯发绿光；当没有光入射时，双色LED灯不发光。LED灯的三种状态，即没有灯亮、蓝色灯亮和绿色灯亮，分别对应“0”、“1”和“-1”三种逻辑状态。

图3. 使用响应波段自分辨光电逻辑器件实现三种逻辑状态

此外，该光电逻辑器件还能够执行“与-AND”、“或-OR”、“非-NOT”、“与非-NAND”和“或非-NOR”五个基础逻辑功能。值得强调的是，这种利用调制光切换逻辑功能的方法具有可逆性和重复性的优点。此外，该技术不需要依赖于复杂的外部电路设计，为在单个器件上实现多种光电逻辑运算提供了一种高效且巧妙的解决方案。

上述工作得到了重庆研究院“十四五”科技创新规划主攻方向之一“碳基光电探测器”的支持，以及科技部国家重点研发计划等项目的资助。微纳制造与系统集成研究中心博士研究生付津滔为论文的第一作者，魏兴战研究员为通讯作者。

相关论文链接：

https://www.cell.com/device/fulltext/S2666-9986(24)00113-3