光子计算与电子计算的深度融合，催生了光电智能计算这一交叉学科前沿，光电智能计算已成为国家重点支持的战略性新兴方向和产业布局重点。于2025年7月（45卷第14期）推出“”专题。华中科技大学董建绩教授团队特邀综述“光学逻辑计算进展与挑战”被选为当期封面文章。

封面解析

封面展示了逻辑计算的发展路线图。图下方的电学通用计算系统的输出信息传输到具备更低能耗和更高并行性的电光混合逻辑计算。电光逻辑架构通过调制器将电信号加载到光域，完成传输和计算。它也架起了从全电到全光通用计算的桥梁。未来通过采用可编程的方式配置图上方的通用全光逻辑阵列，可构建全光逻辑通用计算，为数据中心和人工智能大模型等应用领域带来性能突破。

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1、背景介绍

逻辑计算是一种以布尔逻辑为基础，通过逻辑门对离散信号进行运算的数字计算过程，在计算机科学、通信与电子工程、人工智能和新兴量子计算等广泛的领域发挥核心作用，为现代信息社会的技术创新与进步提供着基础性支持。

大数据、物联网和云服务的高速扩展和新兴人工智能的快速崛起。然而，功耗的限制导致芯片的时钟频率停滞在几兆赫兹，量子不确定性使几纳米制程下的电子晶体管不再可靠，芯片发展难以继续遵循摩尔定律。此外，随着各种新兴领域算力需求的大幅提升，传统电子计算发展路径在计算速度和功耗上面临严重瓶颈，目前与实际需求存在着巨大鸿沟。

过去数十年超大规模集成的数字电路实践经验已经证明了逻辑计算无可置疑的重要地位，因为它具备更好的噪声容忍度和高稳定性。基于光电器件的低功耗驱动能力，可重构逻辑门得以在超低功耗下实现多种逻辑功能。光学逻辑计算具备高并行度、低功耗、低延迟和不依赖先进制程的优势，有望突破摩尔定律的极限，为大算力低功耗芯片提供突围的途径。

2、光学逻辑计算实现方案

2.1 光学逻辑计算分类

如图1所示，目前光学逻辑计算的技术路径可分为两类：一类是全光逻辑计算，它主要是利用材料和器件的线性或非线性效应，直接在光域实现逻辑运算，特点是操作数和运算结果都是光信号。图1（a）展示了全光逻辑计算的三种范式，如调控相干光以调控幅值，进而实现逻辑的线性方案；利用在强光下非线性介质的增益或吸收饱和，使泵浦光可以调制信号光在介质中的传输特性，从而实现逻辑门；以及采用强泵浦光诱导材料的非线性极化来调制光信号的相位和强度，满足相位匹配条件来实现逻辑的非线性方案。第二类是电光逻辑计算，将操作数编码在电域，并用编码的电信号控制调制器开关状态，进而改变光传输路径来实现逻辑。图1（b）展示了电光逻辑计算的三种范式，如基于热光效应，利用外部热场变化来控制折射率，调控光强度进而实现逻辑的方案；基于电光效应，利用外部电场变化来控制折射率，调控光强度进而实现逻辑的方案；还有利用相变效应，通过控制相变材料状态来达到开关效应的方案。

图1 光学逻辑计算的分类。（a）全光逻辑计算的三种范式；（b）电光逻辑计算的三种范式

2.2 全光逻辑计算

全光逻辑计算系统的特征是输入和输出皆是光信号，以光的相互作用或光与介质相互作用的物理机制，对特定频率光的振幅、相位和偏振实现调控进而完成运算。全光逻辑计算主要可以划分为三种类型，第一种方案是基于线性光学效应的逻辑计算，如图2（a）所示，包括阴影投射、空间光衍射和片上干涉；第二种方案是基于非参量过程的非线性光学效应，如图2（b）所示，其特点是与光相互作用的介质在非线性效应发生前后，其量子态随过程而改变，如交叉增益调制、双光子吸收等，通过在强光作用下介质的增益饱和，使得泵浦光的强度可以调制信号光的传输特性，从而实现逻辑门的功能；第三种方案是基于参量过程的非线性光学效应的方案，如图2（c）所示。即光与介质之间不存在能量、动量或角动量的净转移，这些量只在电磁波不同模式间转换，因而需要考虑相位匹配，如交叉相位调制、四波混频等，强泵浦光通过诱导非线性极化来调制光信号的相位和强度。

图2 全光逻辑计算的实现原理。（a）基于线性光学效应的实现方案；（b）基于非参量过程的非线性光学效应的实现方案；（c）基于参量过程的非线性光学效应的实现方案

2.3 电光逻辑计算

电光逻辑本质上就是光学导向逻辑，最早由Hardy和Shamir于2007年提出。通过电学将逻辑操作数作用于光开关，来实现对光网络的路由及工作状态的复杂控制，即利用了电子易于控制和存储的特点，同时又发挥了光子高速并行传播的优势，以提高系统的性能指标。电光逻辑计算通常是利用热光、电光或相变效应，即介质折射率响应外部电场或热场的变化而发生显著变化，调控光的相位或强度，进而实现光学逻辑门。如图3（a）表示基于金属加热器、掺杂硅加热器和石墨烯加热器的电光逻辑计算，它可用于多种材料、设计简单且易于制造，且硅具有较大的热光系数和高导热性，因此有望实现高效的热调谐硅光子集成逻辑器件和系统。如图3（b）表示基于等离子体色散效应、普克尔斯效应和二维材料的电光逻辑计算，这条技术路线有望满足未来高速计算对于更大带宽和更低损耗的迫切需求，特别在数据密集型计算和高速通信领域。如图3（c）表示基于相变材料的电光逻辑计算，其静态零功耗的非易失性和小尺寸实现高消光比的能力也是构建可级联逻辑系统的优势所在。

图3 电光逻辑计算的实现原理。（a）基于热光效应的实现方案；（b）基于电光效应的实现方案；（c）基于相变材料的实现方案

3、总结与展望

当代依赖电学架构的通用计算系统的性能提升已经遭遇瓶颈，光学逻辑计算则有望突破更大算力、更低能耗和更高并行性。而实现这一愿景的第一步便是优化异质集成工艺，突破光电芯粒级集成和光电共封装技术；开发高效电光调制器和非易失性调制器，进一步降低逻辑计算的开关功耗；提升光-电-光混合级联的总带宽，如对电光调制器和光电探测器的电极设计优化和材料改良，同时开发光学并行逻辑和电光多级加载以突破位宽限制，用电光逻辑架起从全电到全光通用计算的桥梁。第二步则是优化非线性光学器件损耗和带宽，通过开发具有更高非线性系数的二维材料，如石墨烯、MoS2等以提高非线性效率，同时研究新型宽带隙材料以支持更高的非线性调制带宽。进一步，开发可并行的全光非线性模块，并采用可编程的方式配置通用全光逻辑阵列。随着更多种类光学逻辑计算器件、架构的演示，光学逻辑计算将作为实现任意功能的通用数字计算的基本构建块，为未来数据中心、超参数大模型和超级计算机等应用领域带来性能突破。

作者简介

董建绩，华中科技大学教授、博士生导师，武汉光电国家研究中心主任助理。主持国家科技部重点研发计划项目、国家杰出青年基金项目、国家优秀青年基金项目、全国百篇优秀博士学位论文奖获得者。研究方向是集成光子学和光计算，在光电子领域主流期刊发表论文100余篇，包括Nature Communications、Light Science & Applications、Optica、PRL 等期刊，多篇入选ESI高被引论文，入选爱思唯尔中国高被引学者，谷歌学术引用8000多次。2次获得湖北省自然科学一等奖，1次获得国家（研究生）教学成果二等奖。担任期刊Frontier of Optoelectronics 执行主编、全国智能计算标准化委员会委员、中国光学学会纤维光学与集成光学专委会常务委员，作为发起人组织光子学公开课的光电计算专题。