光计算研究：一个设备，五个逻辑门操作

大学正在大力推进逻辑门研究，以适应高速和高性能的应用，如人工智能、自动驾驶汽车、机器学习和元宇宙技术。

韩国科学技术研究院（KIST）和光州科学技术研究所（GIST）的研究人员最近的一项研究引入了一种光学逻辑门，据说它可以在一个设备上进行所有五种逻辑运算（and、OR、NAND、NOR和NOT）。

 

钙钛矿OELG器件的概念表示。图片由Kim等人提供。

 

这项研究对未来数据处理应用有何益处？

 

全光逻辑门综述

许多设计者目前正在转向全光逻辑门，以最大限度地提高计算速度并最大限度地减少功耗。所有光学门都利用光学信号处理来实现更快的数据处理计算。

光输入和输出的使用使这些门能够取代二进制计数器、光学处理器、电子二进制加法器、判决电路、位模式识别电路和数据编码器等组件。所有光学逻辑门都涉及许多光学组件，包括非线性干涉仪、太赫兹非对称解复用器和半导体放大器。

这些逻辑门的一些关键应用包括计算、数据传输、电子电路控制和数据处理。设计者还可以利用全光逻辑门来生成伪随机比特序列、全光加密和全光锁存器。

 

全光逻辑门优化数据处理

全光逻辑门的两大类是带有半导体光放大器（SOA）的逻辑门和不带半导体光放大器的逻辑门。基于SOA的门为光学计算和光学网络提供了几个好处，包括占地面积小、功耗低、操作速度高和光学集成度高。

 

全光逻辑门的分类。图片由Singh等人提供。

 

对于Sagnac干涉仪和声光可调谐滤波器（AOTF），所有光学门都表现出极高的工作速度，最高可达100 Gb/s，这对数据处理应用非常有用。具有SOA的所有光学处理器都表现出低功耗，并为电池供电的设备提供了小占地面积的理想功能。

 

KIST和GIST合并所有五门操作

韩国科学技术研究院（KIST）和光州科学技术研究所（GIST）的研究人员最近开发了一种多功能逻辑门设备，该设备有望在低能耗下实现前所未有的速度和性能，用于广泛的数据处理应用。

研究人员选择了光电逻辑门（OELGs），因为它们的数据传输速度快、带宽宽、成本低。这些门类型的高效率和高速能力源于它们在没有电的情况下操作光能的能力。

 

所有逻辑运算输出的3D图表。图片（修改）由Kim等人提供。

 

该团队通过垂直堆叠钙钛矿OELGs并输入两个不同强度和波长的光信号，实现了所需的二进制逻辑运算。因此，他们用相似的输入值执行了几个逻辑门操作。

与每个器件只能进行一次逻辑运算的传统逻辑门不同，新开发的钙钛矿OELG器件最多可以实现五种基本逻辑运算，包括AND、OR、NAND、NOR和NOT。有了这个设备，设计者现在可以开发具有高集成度和空间效率的光学处理器。

 

操作多功能逻辑门装置的注意事项

在这项研究中，研究人员承认，这种多功能逻辑门器件只能在一些严格的参数下工作。

该器件依赖于自供电钙钛矿光电探测器（SPPD）的双极光谱光响应特性。研究人员还发现，他们需要极性控制来实现所有五种逻辑运算。该器件还需要与像素之间的电流变化无关的逻辑门操作的近乎完美的精度。

研究人员认为，这些发现可能使设计者有可能将光学输入用于超小型和低功率的光学传感器平台。这项研究也可能为更高效的下一代光网络、光通信和医疗保健研发打开大门。