兰州大学在光学数字计算领域取得新进展

面向人工智能与数据密集型应用对高速、低时延和低能耗计算的迫切需求，传统电子集成电路正面临摩尔定律放缓、互连带宽受限和功耗持续上升等挑战。集成光子技术凭借大带宽、高速并行处理和低传输时延等优势，为突破传统电子计算瓶颈提供了重要技术路径。在此背景下，兰州大学物理科学与技术学院田永辉教授团队基于硅基微环调制器，提出并实验实现了一种可重构光学算术逻辑单元架构，将基本逻辑运算、片上级联和波长并行处理集成于同一硬件平台，可动态实现NOT、AND、OR、XOR和XNOR等基本逻辑功能，以及2比特加法、减法和数值比较等算术逻辑运算。团队进一步完成了高速数据加密与解密、医学图像水印嵌入和图像差异增强等应用验证，为构建结构紧凑、功能可编程的光子数字计算系统提供了新的实现思路。相关成果以“Reconfigurable optical arithmetic logic unit and its applications”为题发表在《Nature Communications》。

团队依托成熟的硅光子集成平台，利用微环调制器体积小、调制速度快、功耗低且易于电控重构的特点，研制出可实现多种逻辑与算术功能动态切换的光学数字计算芯片。研究通过级联微环调制器构建基本逻辑单元，实现了NOT、AND、OR、XOR和XNOR等多种逻辑运算；同时引入波长维度并行处理不同二进制位，使同一硬件架构能够重构2比特加法器、减法器和比较器，无需重新设计芯片结构。 芯片基于220纳米硅绝缘体平台制备，每个微环同时集成载流子耗尽型高速电光调制结构和热调谐单元，可分别完成高速数据加载与工作波长校准。 实验结果表明，该系统在20 Gbit/s速率下实现了基本逻辑运算以及2比特加法、减法和数值比较功能，计算密度达到528 Gbit/s/mm²，能效可达12.36 fJ/bit。

在此基础上，团队进一步完成了高速数据加密与解密、医学图像水印嵌入和图像差异增强等应用验证，展示了该架构从基础逻辑器件向多功能光学数字计算系统扩展的能力。该工作为构建高密度、低功耗、可重构的光子算术逻辑处理芯片提供了新的实现路径，并为光学数字计算在高速信息处理和片上智能计算中的应用奠定了器件基础。

兰州大学物理科学与技术学院萃英博士后周旭东，袁明瑞青年研究员为论文共同第一作者，田永辉教授为通讯作者，兰州大学为第一完成单位。该研究得到了科技部重点研发计划，国家自然科学基金，甘肃省科技重大专项，甘肃省重点研发计划等项目支持。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-75750-x