光子計算與電子計算的深度融合，催生了光電智能計算這一交叉學(xué)科前沿，光電智能計算已成為國家重點支持的戰(zhàn)略性新興方向和產(chǎn)業(yè)布局重點。于2025年7月（45卷第14期）推出“”專題。華中科技大學(xué)董建績教授團(tuán)隊特邀綜述“光學(xué)邏輯計算進(jìn)展與挑戰(zhàn)”被選為當(dāng)期封面文章。

封面解析

封面展示了邏輯計算的發(fā)展路線圖。圖下方的電學(xué)通用計算系統(tǒng)的輸出信息傳輸?shù)骄邆涓湍芎暮透卟⑿行缘碾姽饣旌线壿嬘嬎恪ｋ姽膺壿嫾軜?gòu)通過調(diào)制器將電信號加載到光域，完成傳輸和計算。它也架起了從全電到全光通用計算的橋梁。未來通過采用可編程的方式配置圖上方的通用全光邏輯陣列，可構(gòu)建全光邏輯通用計算，為數(shù)據(jù)中心和人工智能大模型等應(yīng)用領(lǐng)域帶來性能突破。

文章鏈接：

1、背景介紹

邏輯計算是一種以布爾邏輯為基礎(chǔ)，通過邏輯門對離散信號進(jìn)行運算的數(shù)字計算過程，在計算機(jī)科學(xué)、通信與電子工程、人工智能和新興量子計算等廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮核心作用，為現(xiàn)代信息社會的技術(shù)創(chuàng)新與進(jìn)步提供著基礎(chǔ)性支持。

大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)的高速擴(kuò)展和新興人工智能的快速崛起。然而，功耗的限制導(dǎo)致芯片的時鐘頻率停滯在幾兆赫茲，量子不確定性使幾納米制程下的電子晶體管不再可靠，芯片發(fā)展難以繼續(xù)遵循摩爾定律。此外，隨著各種新興領(lǐng)域算力需求的大幅提升，傳統(tǒng)電子計算發(fā)展路徑在計算速度和功耗上面臨嚴(yán)重瓶頸，目前與實際需求存在著巨大鴻溝。

過去數(shù)十年超大規(guī)模集成的數(shù)字電路實踐經(jīng)驗已經(jīng)證明了邏輯計算無可置疑的重要地位，因為它具備更好的噪聲容忍度和高穩(wěn)定性。基于光電器件的低功耗驅(qū)動能力，可重構(gòu)邏輯門得以在超低功耗下實現(xiàn)多種邏輯功能。光學(xué)邏輯計算具備高并行度、低功耗、低延遲和不依賴先進(jìn)制程的優(yōu)勢，有望突破摩爾定律的極限，為大算力低功耗芯片提供突圍的途徑。

2、光學(xué)邏輯計算實現(xiàn)方案

2.1 光學(xué)邏輯計算分類

如圖1所示，目前光學(xué)邏輯計算的技術(shù)路徑可分為兩類：一類是全光邏輯計算，它主要是利用材料和器件的線性或非線性效應(yīng)，直接在光域?qū)崿F(xiàn)邏輯運算，特點是操作數(shù)和運算結(jié)果都是光信號。圖1（a）展示了全光邏輯計算的三種范式，如調(diào)控相干光以調(diào)控幅值，進(jìn)而實現(xiàn)邏輯的線性方案；利用在強(qiáng)光下非線性介質(zhì)的增益或吸收飽和，使泵浦光可以調(diào)制信號光在介質(zhì)中的傳輸特性，從而實現(xiàn)邏輯門；以及采用強(qiáng)泵浦光誘導(dǎo)材料的非線性極化來調(diào)制光信號的相位和強(qiáng)度，滿足相位匹配條件來實現(xiàn)邏輯的非線性方案。第二類是電光邏輯計算，將操作數(shù)編碼在電域，并用編碼的電信號控制調(diào)制器開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而改變光傳輸路徑來實現(xiàn)邏輯。圖1（b）展示了電光邏輯計算的三種范式，如基于熱光效應(yīng)，利用外部熱場變化來控制折射率，調(diào)控光強(qiáng)度進(jìn)而實現(xiàn)邏輯的方案；基于電光效應(yīng)，利用外部電場變化來控制折射率，調(diào)控光強(qiáng)度進(jìn)而實現(xiàn)邏輯的方案；還有利用相變效應(yīng)，通過控制相變材料狀態(tài)來達(dá)到開關(guān)效應(yīng)的方案。

圖1 光學(xué)邏輯計算的分類。（a）全光邏輯計算的三種范式；（b）電光邏輯計算的三種范式

2.2 全光邏輯計算

全光邏輯計算系統(tǒng)的特征是輸入和輸出皆是光信號，以光的相互作用或光與介質(zhì)相互作用的物理機(jī)制，對特定頻率光的振幅、相位和偏振實現(xiàn)調(diào)控進(jìn)而完成運算。全光邏輯計算主要可以劃分為三種類型，第一種方案是基于線性光學(xué)效應(yīng)的邏輯計算，如圖2（a）所示，包括陰影投射、空間光衍射和片上干涉；第二種方案是基于非參量過程的非線性光學(xué)效應(yīng)，如圖2（b）所示，其特點是與光相互作用的介質(zhì)在非線性效應(yīng)發(fā)生前后，其量子態(tài)隨過程而改變，如交叉增益調(diào)制、雙光子吸收等，通過在強(qiáng)光作用下介質(zhì)的增益飽和，使得泵浦光的強(qiáng)度可以調(diào)制信號光的傳輸特性，從而實現(xiàn)邏輯門的功能；第三種方案是基于參量過程的非線性光學(xué)效應(yīng)的方案，如圖2（c）所示。即光與介質(zhì)之間不存在能量、動量或角動量的凈轉(zhuǎn)移，這些量只在電磁波不同模式間轉(zhuǎn)換，因而需要考慮相位匹配，如交叉相位調(diào)制、四波混頻等，強(qiáng)泵浦光通過誘導(dǎo)非線性極化來調(diào)制光信號的相位和強(qiáng)度。

圖2 全光邏輯計算的實現(xiàn)原理。（a）基于線性光學(xué)效應(yīng)的實現(xiàn)方案；（b）基于非參量過程的非線性光學(xué)效應(yīng)的實現(xiàn)方案；（c）基于參量過程的非線性光學(xué)效應(yīng)的實現(xiàn)方案

2.3 電光邏輯計算

電光邏輯本質(zhì)上就是光學(xué)導(dǎo)向邏輯，最早由Hardy和Shamir于2007年提出。通過電學(xué)將邏輯操作數(shù)作用于光開關(guān)，來實現(xiàn)對光網(wǎng)絡(luò)的路由及工作狀態(tài)的復(fù)雜控制，即利用了電子易于控制和存儲的特點，同時又發(fā)揮了光子高速并行傳播的優(yōu)勢，以提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)。電光邏輯計算通常是利用熱光、電光或相變效應(yīng)，即介質(zhì)折射率響應(yīng)外部電場或熱場的變化而發(fā)生顯著變化，調(diào)控光的相位或強(qiáng)度，進(jìn)而實現(xiàn)光學(xué)邏輯門。如圖3（a）表示基于金屬加熱器、摻雜硅加熱器和石墨烯加熱器的電光邏輯計算，它可用于多種材料、設(shè)計簡單且易于制造，且硅具有較大的熱光系數(shù)和高導(dǎo)熱性，因此有望實現(xiàn)高效的熱調(diào)諧硅光子集成邏輯器件和系統(tǒng)。如圖3（b）表示基于等離子體色散效應(yīng)、普克爾斯效應(yīng)和二維材料的電光邏輯計算，這條技術(shù)路線有望滿足未來高速計算對于更大帶寬和更低損耗的迫切需求，特別在數(shù)據(jù)密集型計算和高速通信領(lǐng)域。如圖3（c）表示基于相變材料的電光邏輯計算，其靜態(tài)零功耗的非易失性和小尺寸實現(xiàn)高消光比的能力也是構(gòu)建可級聯(lián)邏輯系統(tǒng)的優(yōu)勢所在。

圖3 電光邏輯計算的實現(xiàn)原理。（a）基于熱光效應(yīng)的實現(xiàn)方案；（b）基于電光效應(yīng)的實現(xiàn)方案；（c）基于相變材料的實現(xiàn)方案

3、總結(jié)與展望

當(dāng)代依賴電學(xué)架構(gòu)的通用計算系統(tǒng)的性能提升已經(jīng)遭遇瓶頸，光學(xué)邏輯計算則有望突破更大算力、更低能耗和更高并行性。而實現(xiàn)這一愿景的第一步便是優(yōu)化異質(zhì)集成工藝，突破光電芯粒級集成和光電共封裝技術(shù)；開發(fā)高效電光調(diào)制器和非易失性調(diào)制器，進(jìn)一步降低邏輯計算的開關(guān)功耗；提升光-電-光混合級聯(lián)的總帶寬，如對電光調(diào)制器和光電探測器的電極設(shè)計優(yōu)化和材料改良，同時開發(fā)光學(xué)并行邏輯和電光多級加載以突破位寬限制，用電光邏輯架起從全電到全光通用計算的橋梁。第二步則是優(yōu)化非線性光學(xué)器件損耗和帶寬，通過開發(fā)具有更高非線性系數(shù)的二維材料，如石墨烯、MoS2等以提高非線性效率，同時研究新型寬帶隙材料以支持更高的非線性調(diào)制帶寬。進(jìn)一步，開發(fā)可并行的全光非線性模塊，并采用可編程的方式配置通用全光邏輯陣列。隨著更多種類光學(xué)邏輯計算器件、架構(gòu)的演示，光學(xué)邏輯計算將作為實現(xiàn)任意功能的通用數(shù)字計算的基本構(gòu)建塊，為未來數(shù)據(jù)中心、超參數(shù)大模型和超級計算機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域帶來性能突破。

作者簡介

董建績，華中科技大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，武漢光電國家研究中心主任助理。主持國家科技部重點研發(fā)計劃項目、國家杰出青年基金項目、國家優(yōu)秀青年基金項目、全國百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎獲得者。研究方向是集成光子學(xué)和光計算，在光電子領(lǐng)域主流期刊發(fā)表論文100余篇，包括Nature Communications、Light Science & Applications、Optica、PRL 等期刊，多篇入選ESI高被引論文，入選愛思唯爾中國高被引學(xué)者，谷歌學(xué)術(shù)引用8000多次。2次獲得湖北省自然科學(xué)一等獎，1次獲得國家（研究生）教學(xué)成果二等獎。擔(dān)任期刊Frontier of Optoelectronics 執(zhí)行主編、全國智能計算標(biāo)準(zhǔn)化委員會委員、中國光學(xué)學(xué)會纖維光學(xué)與集成光學(xué)專委會常務(wù)委員，作為發(fā)起人組織光子學(xué)公開課的光電計算專題。