近日，上海理工大学光子芯片研究院顾敏院士团队与南京大学祝世宁院士、肖敏教授和张勇教授团队合作，通过非倒易飞秒激光加工直写铌酸锂畴结构，实现了纳米级畴结构的制备，在通往高算力全光机器学习芯片的道路上迈出了坚实一步。
北京时间9月15日，相关研究成果“飞秒激光加工直写铌酸锂纳米铁电畴”（Femtosecond laser writing of lithium niobate ferroelectric nanodomains）发表在《自然》杂志上。本工作唯一通讯作者是南京大学张勇教授。上海理工大学光子芯片研究院顾敏院士、方心远副教授均对此工作提供了重要支持。
由于出色的光电性能、非线性光学性质等，铌酸锂材料在光学领域的重要性可比拟于硅在电子学中的角色。对于神经网络而言，铌酸锂畴结构带来的非线性响应则是高算力的另一重大需求。然而，受限于传统电极化加工工艺限制，铌酸锂畴结构尺度一直停留在微米级别。
聚焦的飞秒激光可以将形成很强的热电场，该热电场会呈现c图中“头顶头”的姿态。当外加电场方向与铌酸锂自发畴方向相反时，可以实现畴极化翻转。因此，如图d-g所示，当激光扫描方向不同时，畴结构将呈现不同的反转情况。特别值得注意的是，原本在e图中已经被极化的区域，可以通过g图中激光反向直写，恢复其初始畴结构状态。可以想象，若在两次直写之间对加工区域实现纳米级位移控制，最终可以实现纳米级畴结构的制备。
方心远解释说：“该技术实现了可重构的纳米级铌酸锂畴结构控制，且基于铌酸锂畴结构可以发生高效准相位匹配非线性光学过程，因此可以用于可重构非线性光学数字化全息，并有望模仿人类高神经元密度的神经网络，开辟了通向高算力光学人工智能的道路。”。
“上海理工大学光子芯片研究院近几年瞄准国家重大战略需求，加快基础理论和关键技术研发，该项重大突破为解决光学衍射神经网络的非线性激活函数、神经元密度，以及可重构性要求均提供了条件，相信全光芯片时代不再是遥不可及的梦想。“顾敏院士说道。
倒易飞秒激光直写铌酸锂畴结构原理
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05042-z
供稿：光子芯片研究院
