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信电学院钱浩亮、陈红胜团队在《Nature Nanotechnology》首次报道了基于单原子层ITO的二阶非线性研究

发布时间:2024-01-04来源:信电学院作者:326

光电混合神经网络芯片目前在学术界和产业界都受到极大关注,特别是光子技术所带来的极大优势。与电子AI 芯片相比,光子AI芯片的优势主要体现在2个方面:(1)光子 AI 芯片链路损耗较低、带宽更大,具有更高的能效比;(2)相比于传统电器件,光器件具有更短的响应时间和更低的延迟,因此更适应神经网络的高速实时计算。然而,高性能的片上光电混合神经网络芯片对于器件的非线性提出了更高的要求,特别是在低损耗、集成度,以及高二阶非线性效应上面。

近日,浙江大学信息与电子工程学院钱浩亮/陈红胜团队在《Nature Nanotechnology》期刊在线发表了题为“Large second-order susceptibility from a quantized indium-tin-oxide monolayer”的研究论文。该工作首次提出了基于单原子层ITO来构建金属量子阱。通过量子阱中不对称势能的带间跃迁共振,实验实现了~1800 pm/V的二阶磁化率χ2。该非线性系数比传统非线性LiNbO3晶体高20倍以上。这项研究为光子电路中的关键性非线性光学器件研发和应用提供了一条可行的途径,特别是面向光电混合神经网络芯片的超高速电光调制器。

透明导电氧化物 (TCO)薄膜因其高透明度和令人满意的导电性而被认为是应用于光子电路的理想低损耗光学材料。此外,由于适度的载流子密度,其电学和光学特性的可调性进一步实现了基于TCO器件的多功能性。最常用的 TCO之一是氧化铟锡 (ITO),因为它具有超过 80%的高可见光透射率、超过 1021cm-3的电子浓度以及与 CMOS制造方法的兼容性。它也被认为是低损耗光子电路应用的潜在候选者。然而,几微米厚度的 ITO薄膜表现出有限的跃迁偶极矩。并且由于其中心对称的晶格结构,二阶非线性系数χ2几乎可以忽略不计。

材料中非线性效应的幅度与二阶磁化率 χ2成正比,二阶磁化率 χ2主要由两个关键参数决定:偶极退相干速率和跃迁偶极矩。因此,减少光学偶极振荡损耗和增加跃迁偶极矩是增强光学非线性的重要途径之一。为了进一步增加不对称材料中的二阶非线性效应,常见的方法是基于电场增强来增加光与物质的相互作用。然而,这种方法存在潜在的上限,并且需要复杂的光学设计和纳米加工。另一种方法是,设计电子能带引发偶极跃迁共振,可以产生几个数量级的有效光学非线性磁化率增强。因此,研究团队通过引入范德华力,提出了具有不对称电势的ITO金属量子阱。通过ITO金属量子阱的低损耗光学特性和极大的带隙间光学跃迁IBT与带内能级间光学跃迁ISBT,实现了~1800 pm/V的二阶磁化率χ2,是LiNbO3晶体薄膜的20倍以上。

1:单原子层ITO原理图和实验制备的光学照片图。

基于光电混合神经网络芯片的信号处理有可能彻底改变经典电子计算和通信设备的性能。片上高性能非线性器件的突破,例如可重构非线性激活函数器件、超高速MZ调制器等,是高速光电混合神经网络芯片信号处理的关键核心器件,不仅在芯片集成、速度、效率等方面,实现大幅度提升;同时也会在芯片的能力和功能上,实现新的突破。此外,片上非线性器件的突破,也为后续基于量子片上网络的神经网络芯片设计提供了研究基础。本文共同第一作者为浙大信电学院博士研究生张译匀和浙大信电学院博士后郜冰涛,通讯作者为陈红胜教授和钱浩亮百人研究员。

该工作得到了国家自然科学基金62005237、科技部信息光子重点专项的大力支持。