光電混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片目前在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都受到極大關(guān)注，特別是光子技術(shù)所帶來的極大優(yōu)勢。與電子AI 芯片相比，光子AI芯片的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在2個方面：（1）光子 AI 芯片鏈路損耗較低、帶寬更大，具有更高的能效比；（2）相比于傳統(tǒng)電器件，光器件具有更短的響應(yīng)時間和更低的延遲，因此更適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高速實時計算。然而，高性能的片上光電混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片對于器件的非線性提出了更高的要求，特別是在低損耗、集成度，以及高二階非線性效應(yīng)上面。

近日，浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院錢浩亮/陳紅勝團(tuán)隊在《Nature Nanotechnology》期刊在線發(fā)表了題為“Large second-order susceptibility from a quantized indium-tin-oxide monolayer”的研究論文。該工作首次提出了基于單原子層ITO來構(gòu)建金屬量子阱。通過量子阱中不對稱勢能的帶間躍遷共振，實驗實現(xiàn)了～1800 pm/V的二階磁化率χ²。該非線性系數(shù)比傳統(tǒng)非線性LiNbO₃晶體高20倍以上。這項研究為光子電路中的關(guān)鍵性非線性光學(xué)器件研發(fā)和應(yīng)用提供了一條可行的途徑，特別是面向光電混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片的超高速電光調(diào)制器。

透明導(dǎo)電氧化物 (TCO)薄膜因其高透明度和令人滿意的導(dǎo)電性而被認(rèn)為是應(yīng)用于光子電路的理想低損耗光學(xué)材料。此外，由于適度的載流子密度，其電學(xué)和光學(xué)特性的可調(diào)性進(jìn)一步實現(xiàn)了基于TCO器件的多功能性。最常用的 TCO之一是氧化銦錫 (ITO)，因為它具有超過 80%的高可見光透射率、超過 10²¹cm^-3的電子濃度以及與 CMOS制造方法的兼容性。它也被認(rèn)為是低損耗光子電路應(yīng)用的潛在候選者。然而，幾微米厚度的 ITO薄膜表現(xiàn)出有限的躍遷偶極矩。并且由于其中心對稱的晶格結(jié)構(gòu)，二階非線性系數(shù)χ²幾乎可以忽略不計。

材料中非線性效應(yīng)的幅度與二階磁化率 χ²成正比，二階磁化率 χ²主要由兩個關(guān)鍵參數(shù)決定：偶極退相干速率和躍遷偶極矩。因此，減少光學(xué)偶極振蕩損耗和增加躍遷偶極矩是增強(qiáng)光學(xué)非線性的重要途徑之一。為了進(jìn)一步增加不對稱材料中的二階非線性效應(yīng)，常見的方法是基于電場增強(qiáng)來增加光與物質(zhì)的相互作用。然而，這種方法存在潛在的上限，并且需要復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計和納米加工。另一種方法是，設(shè)計電子能帶引發(fā)偶極躍遷共振，可以產(chǎn)生幾個數(shù)量級的有效光學(xué)非線性磁化率增強(qiáng)。因此，研究團(tuán)隊通過引入范德華力，提出了具有不對稱電勢的ITO金屬量子阱。通過ITO金屬量子阱的低損耗光學(xué)特性和極大的帶隙間光學(xué)躍遷IBT與帶內(nèi)能級間光學(xué)躍遷ISBT，實現(xiàn)了～1800 pm/V的二階磁化率χ²，是LiNbO₃晶體薄膜的20倍以上。

圖1:單原子層ITO原理圖和實驗制備的光學(xué)照片圖。

基于光電混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片的信號處理有可能徹底改變經(jīng)典電子計算和通信設(shè)備的性能。片上高性能非線性器件的突破，例如可重構(gòu)非線性激活函數(shù)器件、超高速MZ調(diào)制器等，是高速光電混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片信號處理的關(guān)鍵核心器件，不僅在芯片集成、速度、效率等方面，實現(xiàn)大幅度提升；同時也會在芯片的能力和功能上，實現(xiàn)新的突破。此外，片上非線性器件的突破，也為后續(xù)基于量子片上網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片設(shè)計提供了研究基礎(chǔ)。本文共同第一作者為浙大信電學(xué)院博士研究生張譯勻和浙大信電學(xué)院博士后郜冰濤，通訊作者為陳紅勝教授和錢浩亮百人研究員。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金62005237、科技部信息光子重點專項的大力支持。