IF=32.3!北京大学,新发Nature Photonics!集成光子芯片!

B站影视 2025-01-07 19:14 2

摘要:集成光子芯片是光通信、计算、传感等领域的重要研究方向,因其具有高数据传输速率、低功耗和低损耗等优点,成为了研究热点。然而,尽管已有大量研究致力于集成光源、处理器和光探测器等组件,但如何在单一芯片上实现高性能、稳定可靠的光子系统仍面临着诸多挑战。主要问题包括材料

研究背景

集成光子芯片是光通信、计算、传感等领域的重要研究方向,因其具有高数据传输速率、低功耗和低损耗等优点,成为了研究热点。然而,尽管已有大量研究致力于集成光源、处理器和光探测器等组件,但如何在单一芯片上实现高性能、稳定可靠的光子系统仍面临着诸多挑战。主要问题包括材料间的异质集成、晶格不匹配、光耦合效率低以及器件性能优化等,尤其是在实现光源、信号处理和探测功能的同时,如何确保系统的整体性能和稳定性,仍是技术突破的瓶颈。

成果简介

为了解决这一问题,北京大学胡小永教授和龚旗煌院士、朱瑞(Rui Zhu)教授以及香港科技大学陈子亭院士、浙江大学光电学院狄大卫教授携手在Nature Photonics期刊上发表了题为“Hetero-integrated perovskite/Si3N4 on-chip photonic system”的最新论文。

研究人员将钙钛矿材料作为一种新兴的材料平台,提出了与硅光子学的异质集成方案。钙钛矿因其低温溶液处理、较高的晶格匹配容忍度、良好的带隙调节性以及低成本等优点,成为了异质集成的理想选择。

研究人员通过结合钙钛矿材料与氮化硅光子平台,成功实现了集成高效LED光源、高性能光探测器和光子神经网络处理器的单片光子系统,具有21.2%的外量子效率和2.2 MHz的3dB截止频率,并在光子模拟和计算机视觉任务中取得了优异的性能。

研究亮点

1. 实验首次实现了基于钙钛矿/氮化硅平台的单片集成光子系统,成功将高效发光二极管(LED)、高性能光探测器和光子神经网络集成在同一芯片上,形成了多功能光子信息处理平台。

2. 实验通过异质集成技术将钙钛矿材料与氮化硅光子平台结合,实现了高效LED光源(外量子效率为21.2%)和灵敏光探测器(暗电流为8.3 pA,响应时间为44 ns),并在集成系统中达到了2.2 MHz的3 dB截止频率。

3. 实验展示了基于该光子平台的光子神经网络在光子模拟和计算机视觉任务中的应用。通过预测二维无序Su–Schrieffer–Heeger(SSH)模型中的拓扑不变量,成功验证了网络的自适应学习能力,且在SSH模型的三阶非线性模拟中实现了87%的平均保真度。

4. 实验进一步应用该光子神经网络进行计算机视觉任务,在Canny边缘检测任务中获得超过85%的测试准确率,并在更具挑战性的CIFAR-10数据集上取得了56%的准确率,展现了该网络在多个应用领域中的适应性和高效性。

图文解读

图1: 钙钛矿/Si3N4片上光子系统的单片异质集成方案。 图2: 单片异质集成钙钛矿/Si3N4片上光子系统的表征。 图3: 2D无序SSH模型中,平均手性位移AMCD计算。 图4: 非线性拓扑模型中,时间相关光子模拟。 图5: 边缘检测和图像分类任务。

结论展望

钙钛矿材料在异质集成中的应用展现了其独特的优势,如低温加工、高晶格不匹配容忍度和带隙调节性,这使得钙钛矿能够与氮化硅等材料成功集成,为实现多功能光子系统打下基础。

其次,光子神经网络的实现不仅在光子模拟中取得了显著成果,还在计算机视觉任务中展现了良好的适应性,突显了光子计算在复杂任务中的潜力。这为未来基于光子计算的智能芯片设计提供了新的思路,尤其是在高效计算与低能耗方面的优势。

此外,本文通过实验验证了光子神经网络的多任务能力和较高的计算速度,展示了光子平台在数据处理、信息传输和智能计算中的广泛应用前景。这一工作不仅推动了光子集成技术的进展,也为开发下一代智能光子芯片提供了理论依据和实践指导,预示着光子信息处理技术将在未来科技领域中发挥越来越重要的作用。

文献信息

Liao, K., Lian, Y., Yu, M. et al. Hetero-integrated perovskite/Si3N4 on-chip photonic system. Nat. Photon. (2025).

来源:MS杨站长

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