让芯片有记忆！光子芯片可编程化更进一步

可编程光子集成电路（Photonic Integrated Circuit，PIC）一直被视为光子芯片走向通用化的重要方向；它可以像电子领域的现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）一样，在同一块硬件平台上通过后期配置实现不同光学功能，从而缩短研发周期、降低系统成本，并提升芯片的通用性。

可问题在于，当前主流的可编程光子技术大多依赖热光调谐，这种方式虽然成熟，却长期存在静态功耗高、器件尺寸大、热串扰明显等几个绕不开的难题。随着光子芯片规模越来越大，这些问题都会迅速放大，成为限制系统扩展的瓶颈。    

近期，美国华盛顿大学团队提出了一种新的解决思路，不再让光子芯片靠持续通电维持设置，而是让它像被锁定的机械旋钮一样，在完成配置后把状态保存下来。研究团队将相变材料Sb2Se3集成到300mm硅光平台中，实现了低损耗、多比特、可重复的非易失光学调控，并构建出可重构的循环式和前向式马赫-曾德尔干涉仪（Mach–Zehnder Interferometer，MZI）网格，为通用型片上可编程光子系统提供了新的实现路径。成果以“NEO-PGA: Nonvolatile electro-optically programmable gate array”为题在Science Advances上发表。（文章链接：NEO-PGA: Nonvolatile electro-optically programmable gate array | Science Advances）

要让一块光子芯片真正变得可编程，首先得证明最基本的可编程单元是可靠的。作者在MZI两个臂中引入Sb₂Se₃相移器，通过电脉冲对器件进行写入，并结合编程到验证的闭环控制，让器件逐步逼近目标状态。这部分结果说明，Sb₂Se₃并不只是能实现简单的开关切换，而是可以支持多状态、可逆的调节。更重要的是，这种调节在完成后能够保持下来，不需要持续供电。这说明这种非易失可编程方案是可行的，而且可以实现较精确的自动编程。换句话说，这项工作并不是简单把热调谐换成另一种调谐方式，而是把光子芯片从临时可调推进到可配置且可保持的状态。

图1 Sb₂Se₃包覆马赫-曾德尔干涉仪单元的非易失自动编程：(a)MZI单元中Sb₂Se₃-Si相移器的结构示意图及截面图；(b)制备得到的MZI测试单元的光学显微图；(c)MZI单元bar端口在5次循环中的平均光谱，阴影区域表示标准差；(d、e)时域传输曲线，表明器件可分别通过d中的部分非晶化脉冲和e中的部分晶化脉冲访问多个状态；(f)利用算法，在计算机控制下，将平衡MZI的bar端口传输自动调节到目标值−15dB，误差约为0.1%

在验证了单个单元之后，作者进一步把这些单元组合成循环式MZI网格，并用它来实现可重构的光交换网络。图2展示了不同输入端和输出端之间的重构关系。通过对网格中各个MZI单元进行配置，输入光可以被引导到不同的输出通道。实验给出的传输矩阵结果表明，这种网格结构已经具备基本的片上交换能力。这说明NEO-PGA不只是停留在单器件层面，而是已经能够组成更复杂的网络结构。对于片上互连和可重构光路来说，这是一个很重要的进展。

图2 矩形网格实现光路交换网络：(a)1×2循环式MZI网格的光学显微图；(b、c)两种配置的示意图，光分别从输入端口I1234被引导至输出端口O4231和O4213；(d)不同系统配置下测得的输入—输出传输矩阵，其中每一行表示所有输入端口对应的输出

在之前的基础上，作者进一步展示了循环式网格在谐振器构建中的应用。谐振器可以理解为一种能够对特定光信号进行选择和调控的结构，在集成光学中应用广泛。通过编程不同单元的状态，研究团队实现了单微环和双微环谐振器，并调节了它们的耦合状态。网格不再只是承担“让光走哪条路”的功能，而是开始承担更复杂的光学功能。通过局部调控不同单元，作者能够改变谐振器的耦合情况和光谱响应，说明该平台具备更强的可重构能力。同时，非易失相变材料由于状态写入后可以保持，后续再调其他位置时，不容易像热光调谐那样引入明显串扰，有助于复杂片上系统的实现。

图3 非易失MZI网格实现单微环和双微环谐振器：(a)所实现的微环谐振器的示意图（上）和实测光谱（下）；(b)共享同一总线波导的双非耦合微环的示意图（上）和实测光谱（下）

在实现了谐振器的基本重构之后，作者又进一步把重点放在耦合强度的精细调控上。研究团队构建了两个耦合微环，并通过调节网格中的一个MZI单元，改变两个谐振器之间的耦合强度。实验结果显示，系统可以在强耦合和弱耦合之间平滑切换，相应的光谱形态也会随之变化。这个结果说明，NEO-PGA的调控能力并不是简单的开和关，而是已经能够实现更细粒度的连续控制。

图4 可调耦合速率的耦合微环谐振器实现：(a)耦合微环谐振器的结构示意图，其中包含两个相同的微环，且只有环1与总线波导耦合；(b)耦合微环谐振器的实测光谱

在完成了交换、谐振和耦合控制等多层次展示之后，研究人员构建了前向式MZI网格，并展示了其在自配置和模式处理方面的能力；利用两级前向式网格，实现了对两组正交模式的分选，将不同输入模式导向不同输出端口。这说明，该平台已经不只是能完成交换网络和谐振器调控，还能够支持更复杂的线性光学处理任务，也就是说NEO-PGA正在从可重构光路走向可编程光处理平台。

图5 基于非易失前向MZI网格的片上自配置光子集成电路（PIC）：(a)两级自配置PIC的示意图；(b)制备得到的前向MZI网格的光学显微图；(c)第一组正交模式的光束分选结果；(d)两组不同正交模式下的传输矩阵

总体来看，这项研究最核心的贡献是给可编程光子芯片提供了一条新的实现路径；过去很多工作解决的是能不能调的问题，而NEO-PGA更进一步，关注的是调完之后能不能记住。这看似只是一步变化，实际上关系到光子芯片未来能否实现低功耗、大规模和通用化。研究团队逐步完成了从单个可编程单元、到循环式网格，再到前向式自配置网格的展示，说明这种非易失相变材料方案不仅可以用于基础器件，也有望支撑更复杂的片上系统，标志着光子芯片正在从只能在实验室里调的器件向真正硬件平台的方向迈进。 

科学编辑 | 张栋宇

编辑 | 徐睿