3月5日，中科院一区期刊《International Journal of Extreme Manufacturing》（《极端制造》，IF: 14.7）在线刊发了我院刘世元、朱金龙教授团队对于可重构光子芯片的最新研究成果 “Pixelated non-volatile programmable photonic integrated circuits with 20-level intermediate states（具有20级中间态的可编程像素化非易失光子芯片）”。我院博士生陈文宇为论文第一作者，刘世元教授、朱金龙研究员为论文的共同通讯作者，华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室为论文第一完成单位。
近年来，可编程集成光子芯片在光通信、光学传感、光计算等领域取得了重要的进展。由于硫系相变材料在非晶态和晶态之间光学性质差异较大且具有非易失性、快速可逆转换等特性，因此在光计算以及可重构超表面中有重要的研究和应用。然而，通过自由空间激光调控多级中间态的相变材料及其在可编程光子芯片中的应用仍然存在挑战。论文提出了具有多级中间态的像素化可编程光子芯片。实现了1.2微米像素尺寸的20级中间态硫化锑相变材料，并基于此提出了多级相变材料在可编程光子芯片以及可重构超表面中的应用。
非易失可编程光子芯片示意图
论文采用低功率多脉冲激光调控方法实现了多级中间态硫化锑相变材料。相比于单脉冲高功率激光脉冲调控方法，多脉冲激光调控方法晶态化稳定性更高，且更易于实现多级中间态。团队通过优化激光脉冲的功率和数量（0-350）实现了多达20级的中间态相变材料，如下图所示。
激光脉冲调控多级中间态硫化锑
论文提出了基于多级中间态相变材料的可编程光子芯片，包括马赫曾德尔干涉仪以及多模干涉耦合器。如下图所示，相变材料硫化锑薄膜沉积在波导以及多模干涉耦合器上。通过使用自由空间激光对不同的硫化锑像素进行多级调控，从而实现像素化相位调制以及可编程光子芯片。
像素化非易失可编程光子芯片示意图
如下图所示为可编程的多模干涉耦合器，硫化锑矩阵初始状态为非晶态，如图（补）（产）所示。使用多值优化算法改变硫化锑像素的状态保证下波导中输出最大。通过对比具有多级中间态的多模干涉耦合器（图（肠）与（诲））与只有非晶态和晶态的多模干涉耦合器（图（别）与（蹿）），可以看出多级相变材料具有更优越的性能。
基于多级硫化锑的可编程多模干涉耦合器
基于多级中间态相变材料，论文提出了可编程光子处理器用于执行图像卷积计算，如下图所示。通过仿真验证了基于多级中间态相变材料的大规模可编程光子处理器，对于100*100的矩阵计算，其矩阵保真度仍然可以保证在90%以上。
像素化可编程光子线性处理器
论文提出了基于具有多级中间态的像素化可编程光子芯片，实现了1.2微米像素尺寸的20级中间态硫化锑相变材料。此外，论文展示了通过精确优化功率和脉冲数进一步增加单个相变材料像素中间态数量的潜力。基于相变材料矩阵的可编程光子芯片有望对通用可编程光子芯片和光子神经网络产生积极影响。论文提供的相变材料多级调控方法有望为光计算、光量子计算和可重构型超表面等应用打开新局面。
上述研究得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目等资助。
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