近日，上海理工大學(xué)光子芯片研究院顧敏院士團(tuán)隊(duì)與南京大學(xué)祝世寧院士、肖敏教授和張勇教授團(tuán)隊(duì)合作，通過非倒易飛秒激光加工直寫鈮酸鋰疇結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)疇結(jié)構(gòu)的制備，在通往高算力全光機(jī)器學(xué)習(xí)芯片的道路上邁出了堅(jiān)實(shí)一步。
北京時(shí)間9月15日，相關(guān)研究成果“飛秒激光加工直寫鈮酸鋰納米鐵電疇”（Femtosecond laser writing of lithium niobate ferroelectric nanodomains）發(fā)表在《自然》雜志上。本工作唯一通訊作者是南京大學(xué)張勇教授。上海理工大學(xué)光子芯片研究院顧敏院士、方心遠(yuǎn)副教授均對(duì)此工作提供了重要支持。
由于出色的光電性能、非線性光學(xué)性質(zhì)等，鈮酸鋰材料在光學(xué)領(lǐng)域的重要性可比擬于硅在電子學(xué)中的角色。對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而言，鈮酸鋰疇結(jié)構(gòu)帶來的非線性響應(yīng)則是高算力的另一重大需求。然而，受限于傳統(tǒng)電極化加工工藝限制，鈮酸鋰疇結(jié)構(gòu)尺度一直停留在微米級(jí)別。
聚焦的飛秒激光可以將形成很強(qiáng)的熱電場(chǎng)，該熱電場(chǎng)會(huì)呈現(xiàn)c圖中“頭頂頭”的姿態(tài)。當(dāng)外加電場(chǎng)方向與鈮酸鋰自發(fā)疇方向相反時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)疇極化翻轉(zhuǎn)。因此，如圖d-g所示，當(dāng)激光掃描方向不同時(shí)，疇結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)不同的反轉(zhuǎn)情況。特別值得注意的是，原本在e圖中已經(jīng)被極化的區(qū)域，可以通過g圖中激光反向直寫，恢復(fù)其初始疇結(jié)構(gòu)狀態(tài)?？梢韵胂螅粼趦纱沃睂懼g對(duì)加工區(qū)域?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)位移控制，最終可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)疇結(jié)構(gòu)的制備。
方心遠(yuǎn)解釋說：“該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)的納米級(jí)鈮酸鋰疇結(jié)構(gòu)控制，且基于鈮酸鋰疇結(jié)構(gòu)可以發(fā)生高效準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)過程，因此可以用于可重構(gòu)非線性光學(xué)數(shù)字化全息，并有望模仿人類高神經(jīng)元密度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，開辟了通向高算力光學(xué)人工智能的道路?！薄?/span>
“上海理工大學(xué)光子芯片研究院近幾年瞄準(zhǔn)國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，加快基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，該項(xiàng)重大突破為解決光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性激活函數(shù)、神經(jīng)元密度，以及可重構(gòu)性要求均提供了條件，相信全光芯片時(shí)代不再是遙不可及的夢(mèng)想?！邦櫭粼菏空f道。
倒易飛秒激光直寫鈮酸鋰疇結(jié)構(gòu)原理
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05042-z
供稿：光子芯片研究院
