华中科技大学提出的像素化可编程非易失性光子集成电路

华中科技大学的研究人员提出了一种像素化的可编程光子集成电路（PICs），其相变材料（PCMs）的20级中间态达到了创纪录的高度。

这项研究成果发表在《国际极端制造学报》（International Journal of Extreme Manufacturing）上，为激光诱导相变材料在神经形态光子学、光学计算和可重构元表面中的应用铺平了道路。

论文通讯作者、华中科技大学机械科学与工程学院朱金龙教授解释说："基于可编程PCMs的PIC和元表面的研究主要利用热退火和电热转换。相比之下，采用自由空间激光开关的多层次 PCM 在相位调制方面的灵活性大大提高"。

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像素化可编程非易失性光子集成电路

可编程 PIC 已成为光通信、传感器和光子神经网络等多个领域的强大平台。由于钙化物 PCM 的无定形态与晶体态之间存在较大的折射率对比（Δn >1），研究人员对纳米光子平台中的 PCM 进行了研究，以实现可编程光学功能。

虽然对非晶态和晶体态低损耗 PCM 的研究取得了重大进展，但对微米尺度多级中间态的研究仍处于起步阶段。基于可编程 PCM 的 PIC 和元表面的研究主要利用热退火和电热开关。

因此，利用多级 PCM 和自由空间激光开关实现超高灵活相位调制的可编程 PIC 和元表面还鲜有报道。

研究人员研究了在微尺度上激光写入单个 Sb2S3 元素的多级中间态。通过优化激光脉冲的功率和数量，在 120 ~ 320 脉冲范围内实现了单个 Sb2S3 像素的 20 级中间态。相变像素的直径约为 1.2 μm，这是聚焦激光造成的。

研究人员利用微米级激光写入系统实现的多级中间态，在可编程马赫-泽恩德干涉仪中模拟了基于 Sb2S3 的移相器，并证明它能在 785 nm 波长下实现 π 的 30 级移相精度。通过这种方式，模拟演示了超大规模像素化非易失性可编程 PIC 的可用性。

基于 Sb2S3 矩阵的可编程光子集成电路将对通用可编程光子电路和光子神经网络产生积极影响。此外，激光诱导可编程器件的应用领域还包括神经形态光子学、光学计算和可重构元表面。

研究人员正在继续这项工作，将像素化可编程相变材料应用于可编程光子集成电路和元表面。

相关链接：https://phys.org/news/2024-03-pixelated-volatile-programmable-photonic-circuits.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1088/2631-7990/ad2c60