新型光电可编程芯片

本文报道了一种基于硫化锑（Sb2Se3）相变材料的非易失性电光可编程门阵列（NEO-PGA），旨在解决当前可编程光子集成电路（PIC）面临的核心瓶颈——高静态功耗、大器件尺寸和严重热串扰。传统方案依赖热光相移器，需持续供电维持状态（约10毫瓦/π相移），且相邻器件间距需达100微米以防热干扰；而本文采用Sb2Se3材料，利用其非易失性（断电后状态不丢失）、高光学对比度及阈值驱动特性，实现了真正‘设置即遗忘’（set-and-forget）的光调控。研究团队创新性地引入闭环‘编程-验证’（program-and-verify）算法：通过实时监测光输出功率，自动施加精准电脉冲，逐步将相变材料调节至目标晶态或非晶态，最终实现±0.1%误差内的高精度多比特光功率控制。该技术被集成到300毫米硅光平台，构建了两类关键架构：一是‘环形’Mach-Zehnder干涉仪（MZI）网格，支持宽带光开关（串扰低至−25 dB）和高品质因子（Q≈226,000）可编程耦合微环谐振器，并首次在片上实现两个微环的完全独立调谐（一个环调谐时另一环完全不受影响），验证了其零热串扰能力；二是‘前向’MZI网格，成功实现正交光模式的相干分选（串扰约−12 dB），展示了自配置光子处理器的潜力。文中还详细解释了Sb2Se3材料的双向可调机制（部分晶化/部分非晶化）、低插入损耗（仅0.03 dB/π）的物理来源，以及如何通过工艺优化（如薄膜厚度、波导设计）进一步提升相移范围。研究指出，当前相移量约0.23π虽略小于理想全范围（π），但这源于本实验中材料沉积工艺的非最优化，而非材料固有缺陷；此前工作已证实Sb2Se3可实现完整π相移。系统级挑战主要在于控制电路与算法扩展性，作者提出片上波导分光器或透明探测器可支持并行监测，大幅减少编程迭代次数。总之，该工作首次在系统层面证实：相变材料不仅可靠，而且能支撑大规模、多功能、低功耗的通用型可编程光子芯片，打破了学界长期认为其‘随机性强、不适于精密编程’的误解。