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1. 文章导读

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。近期,华中科技大学机械科学与工程学院、智能制造装备与技术全国重点实验室的朱金龙教授团队在SCI期刊《极端制造》(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表《Pixelated non-volatile programmable photonic integrated circuits with 20-level intermediate states》的研究论文。文中提出了具有多级中间态相变材料的像素化可编程光子芯片,并通过自由空间激光实现了20级的中间态相变材料。

亮点:

● 提出了像素化非易失性可编程集成光子芯片;

● 实现了1.2微米像素尺寸的20级中间态硫化锑相变材料;

● 基于多级中间态相变材料,提出了大规模可编程集成光子线性处理器;

● 为可编程光子芯片和光学超表面提供了新的思路和方法。

图1 非易失可编程光子芯片示意图

2.研究背景

硅基光子芯片在光通信,光传感器以及光子神经网络等领域有着重要的应用和发展。在硅基光子芯片中,热光效应和等离子体色散效应常用于改变硅的折射率用于光学相位调制。然而,这些相位调制方法只能提供很小的折射率变化,且尺寸较大。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,因此在光学存储、可重构超表面以及光子神经网络中有重要的研究和应用。目前,在非晶态和晶态下的低损耗相变材料方面已经有了重要的研究进展,但是对于微米级的多级中间态的相变材料研究仍然处于萌芽阶段。通过自由空间激光对微米级的相变材料实现多级调控在可编程光子芯片和可重构超表面中有着重要的应用前景。因此,本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。

3.最新进展

激光调控多级中间态相变材料:本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,如图2所示。

图2 激光脉冲调控多级中间态硫化锑。（a）通过不同数量的激光脉冲（0-350）调控硫化锑多级中间态的反射率差ΔR。（b）不同脉冲数下（0、160、240、350）的硫化锑光学显微图像。（c）激光调控的晶态硫化锑拉曼光谱。

像素化非易失可编程光子芯片:本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。如图3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。

图3 像素化非易失可编程光子芯片示意图。（a）基于多级中间态的可编程光子芯片示意图。（b）和（c）为基于多级相变材料的可编程马赫曾德尔干涉仪和多模干涉耦合器。

如图4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4(a)和(b)所示。使用多值优化算法改变硫化锑像素的状态下保证波导中输出最大。通过对比具有多级中间态的多模干涉耦合器(图4(c)与(d))与只有非晶态和晶态的多模干涉耦合器(图4(e)与(f)),可以看出多级相变材料具有更优越的性能。

图4 基于多级硫化锑的可编程多模干涉耦合器。图（a）、（c）和（e）所示的电场强度分布对应于（b）初始非晶态硫化锑矩阵（d）多级中间态硫化锑矩阵以及（f）晶态和非晶态硫化锑矩阵。

像素化可编程光子线性处理器:基于多级中间态相变材料,本文提出了可编程光子处理器用于执行图像卷积计算,如图5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。

图5 像素化可编程光子线性处理器。（a）像素化光子线性处理器卷积计算示意图。（b）基于多级相变材料的光子芯片实现的离散矩阵（UP(16)和UP(64)）、原始矩阵（U(16)和U(64)）以及误差矩阵。（c）不同规模可编程光子芯片的矩阵保真度。

4.未来展望

本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,本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。此外,本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。