在國家自然科學(xué)基金項目（批準號：62022045、62071272）等資助下，清華大學(xué)電子工程系李越副教授團隊與自動化系吳嘉敏助理教授、戴瓊海院士團隊合作，基于介電常數(shù)近零（Epsilon-near-zero，ENZ）超材料實現(xiàn)了亞波長尺度的高密度光電運算器件。研究成果以“利用介電常數(shù)近零超材料實現(xiàn)微積分運算（Performing calculus with epsilon-near-zero metamaterials）”為題發(fā)表在期刊《科學(xué)·進展》（Science Advances）上。文章鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq6198。 近年來，光電運算作為一種新興的運算體系備受關(guān)注。光電運算以電磁波作為信息傳輸和處理的載體，通過模擬運算的方式對信息進行處理。與傳統(tǒng)基于數(shù)字邏輯的運算處理方式相比，基于電磁波的模擬運算具有大帶寬、高速率、高并行度的運算優(yōu)勢，有望突破傳統(tǒng)運算處理器的算力瓶頸。然而，現(xiàn)有光電運算器件存在的器件體積大、集成度低等問題，限制了光電運算密度的提升，成為阻礙光電運算體系發(fā)展的瓶頸。以微積分運算為例，現(xiàn)有的模擬微積分運算主要有空域和時域兩種方法，其中，空域方法通過對入射的電磁波進行空間調(diào)制來實現(xiàn)微積分運算，這往往需要較大的器件尺寸；時域方法一般利用馬赫-曾德爾干涉器陣列和微環(huán)諧振器等光器件實現(xiàn)，其器件尺寸也遠大于電磁波的工作波長。 針對上述問題，李越等人基于ENZ超材料的光學(xué)摻雜理論，實現(xiàn)了高運算密度的微積分光電運算器件。2017年，李越與美國賓夕法尼亞團隊合作在《科學(xué)》（Science）期刊上發(fā)表ENZ超材料的光學(xué)摻雜理論，指出亞波長尺度的介質(zhì)摻雜可改變ENZ媒質(zhì)在特定頻率附近的磁導(dǎo)率特性，進而調(diào)控ENZ超材料的色散曲線?；谠摾碚?，他們在ENZ媒質(zhì)中摻雜不同介電常數(shù)的介質(zhì)諧振器實現(xiàn)了磁導(dǎo)率為無窮大或零的兩種ENZ超材料，其色散曲線分別對應(yīng)帶阻或帶通的傳輸頻譜，從而擬合微分運算所需的傳輸頻譜T(ω) =?i(ω?ω0)或積分運算所需的傳輸頻譜T(ω)=i/(ω?ω0)，得到時域模擬微分與積分運算的功能（圖1）。進一步，他們在中紅外波段進行了模擬微分器件的設(shè)計與仿真驗證。采用工作在截止波長下的鍍銀二氧化硅波導(dǎo)來實現(xiàn)等效的ENZ超材料，在同樣的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，硅與空氣可分別等效為介電常數(shù)為正和為負的介質(zhì)材料。通過對等效的ENZ超材料進行光學(xué)摻雜，構(gòu)造出與圖1（A）中結(jié)構(gòu)相同的ENZ微分器，仿真分析表明，該微分器的運算密度理論上可達11.4 TOPS/μm2。為了與基于數(shù)字邏輯的運算處理器進行比較，他們還在微波頻段（3.5 GHz）設(shè)計了基于ENZ超材料的微分器件，構(gòu)建了時域圖像邊緣檢測系統(tǒng)（圖2）。與計算機程序提取的圖像邊緣相比，該系統(tǒng)對輸入圖像的邊緣提取結(jié)果不僅驗證了ENZ超材料實現(xiàn)的微分器件功能，而且展現(xiàn)出基于ENZ超材料的光電器件運算潛力。 項目研究成果為光電運算器件的小型化、高速率和高集成度需求提供了可行的技術(shù)方案，在下一代大數(shù)據(jù)通量的光電運算系統(tǒng)中有潛在應(yīng)用價值。