連續域束縛態（BIC）是一種特殊的光學諧振模式，它依靠對稱性保護實現理論上無窮大的品質因子（Q），能夠將光場極強地束縛在亞波長尺度內，已被廣泛應用于納米激光、生物分子傳感、高分辨成像等領域。多重量子阱是紅外探測與調制領域的經典材料體系，通過精確調控阱寬與勢壘高度可實現子帶能級的定制化設計，在紅外激光器、調制器與探測器中應用廣泛。
據麥姆斯咨詢報道，近日，北京工業大學、復旦大學和國家納米科學中心的研究團隊提出利用準連續域束縛態（QBIC）的可控泄漏模調控多量子阱（MQW）的面內波矢與垂直光場，突破了量子阱子帶間躍遷的正入射吸收限制，構建了兼具非線性與線性可調光響應的連續域束縛態多量子阱（BIC-MQW）光電探測器。研究進一步以此器件為核心搭建了光電融合神經形態處理器，可在傳感端原位完成圖像對比度增強、模式分類與邊緣檢測等機器視覺任務，打破了傳統馮?諾依曼架構下傳感與處理分離的功耗與延遲瓶頸，為紅外感存算一體化機器視覺系統提供了全新的技術路徑。研究成果以“Quasi-bound states in the continuum driven photoresponse in multiple quantum wells for machine vision”為題發表在Light: Science & Applications期刊上。
BIC的設計
研究團隊創新性地提出了QBIC可控泄漏模耦合方案。基于其物理機制，研究團隊制備了BIC超構表面與GaAs/AlGaAs多重量子阱的集成器件。在量子阱上制備了3×3像素的BIC超構表面陣列，每個像素對應一個δ值，覆蓋0到0.44的不對稱參數范圍。圖1展示了BIC的特性。
圖1 BIC的特性
為探究BIC或QBIC與光電器件的潛在耦合作用，研究團隊搭建了BIC-MQW體系仿真模型，該體系中將超構表面諧振器集成于多量子阱結構之上。圖2展示了BIC-MQW器件中多量子阱原點位置的仿真結果。
圖2 BIC-MQW器件中多量子阱原點位置的仿真結果
BIC-MQW結構的設計與光電流表征
為驗證上述預測的可行性，研究團隊將尺寸為3×3像素的連續束縛態陣列集成至多量子阱器件上，搭建BIC-MQW架構并開展實驗驗證。圖3展示了BIC-MQW器件的設計、表征與制備；圖4展示了BIC-MQW器件的實驗結果。
圖3 BIC-MQW器件的設計、表征與制備
仿真與實驗共同揭示了BIC-MQW器件的雙重響應特性：（1）非線性響應：不對稱參數調控；（2）線性響應：入射角與偏壓調控。這一雙維度調控特性是該器件最核心的價值：結構參數決定的非線性響應，天然適合圖像非線性預處理；光/電參數決定的線性響應，可直接用于硬件實現線性乘累加運算。兩種特性共存于同一像素之中，為單器件實現多功能機器視覺處理奠定了物理基礎。
圖4 BIC-MQW器件的實驗結果
機器視覺預處理與識別
傳統機器視覺系統遵循馮?諾依曼架構：圖像傳感器完成光電轉換后，需將數據傳輸至存儲器與處理器進行預處理、特征提取與識別。大量原始數據的搬運帶來了極高的延遲與功耗，在紅外成像、實時目標檢測等場景下瓶頸尤為突出。感內/近傳感計算架構將部分計算功能下沉到傳感端，被視為破解這一瓶頸的核心方案。基于BIC-MQW器件的非線性與線性雙重特性，研究團隊構建了光電融合神經形態處理器，模擬人類視覺系統的分層處理機制——BIC-MQW陣列承擔視網膜的感光與預處理功能，后端神經網絡承擔視覺皮層的高級識別功能，實現了從圖像增強到模式識別的全鏈路機器視覺任務驗證。圖5展示了基于BIC-MQW的神經形態視覺系統圖像識別仿真。
圖5 基于BIC-MQW的神經形態視覺系統圖像識別仿真
https://doi.org/10.1038/s41377-026-02404-4
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