在计算、通信和传感等领域，光子集成电路（Photonic Integrated Circuits, PICs）正扮演着越来越重要的角色。它们就像是光世界里的“芯片”，用光来传输和处理信息，速度极快且能耗低。然而，一个令人头疼的现状是，传统的PICs功能单一，就像是为特定任务定制的专用集成电路，一旦设计完成，功能就被“焊死”了。这让研发周期变得漫长，成本也居高不下。于是，科学家们将目光投向了可编程光子集成电路，希望它能像电子领域的现场可编程门阵列那样，通过软件配置就能实现多种功能，一个硬件平台，百变应用场景。
理想很丰满，但现实却很骨感。当前主流的可编程光子技术，严重依赖一种叫做“热光效应”的调谐方式。简单来说，就是通过给芯片上的微型加热器通电，让局部温度变化，从而改变光波导的折射率，实现对光路的调控。这种方法存在三大痛点：功耗高（一个π相移就需要约10毫瓦的静态功率）、器件体积大（单个移相器长度超过50微米）、热串扰严重（移相器之间需要保持约100微米的间距以防止相互干扰）。当芯片上的元件数量朝着成千上万个迈进时，总功耗将高达数瓦，这严重制约了可编程光子系统的规模化。
有没有一种“一劳永逸”的解决方案？研究者们将希望寄托于硫系相变材料。这类材料，例如Sb2Se3，具有两种稳定的微观结构状态：非晶态和晶态。这两种状态对光的响应（折射率和吸收）截然不同，而且状态一旦改变，即使断电也能永久保持，这就是“非易失性”。更重要的是，其状态转换是“阈值触发”的，仅在施加特定强度的电脉冲时发生，这带来了高度局部化（约1微米）且无串扰的调谐能力，完美规避了热光调谐的固有缺陷。
然而，相变材料在通向可编程光子集成电路的道路上，也曾被认为“此路不通”。过去，人们主要利用其吸收（损耗）变化来编码信息，这使其无法应用于需要纯相位调制的马赫-曾德尔干涉仪网络中。此外，电编程相变材料的过程被认为具有随机性，难以精确控制所需的光学状态（比特精度问题）。尽管新型宽带隙相变材料如Sb2Se3在降低光学损耗方面展现出潜力，但相关研究多停留在单个器件层面，从未在系统级、纯相位的可编程光子集成电路中得到验证。
为了打破这些成见，一个研究团队在《科学进展》杂志上报道了他们的突破性工作。他们成功演示了一种基于相变材料的非易失性电光可编程门阵列。这项研究的核心在于，他们不仅集成了低损耗的相变材料，更关键的是发展了一套名为“编程-验证”的闭环控制算法，从而实现了对光学状态的高精度、确定性调控。
研究者们采用了几项关键技术来开展这项研究。首先，他们发展了一种可扩展的后端集成工艺，将宽带隙相变材料Sb2Se3异质集成到300毫米晶圆标准制造的硅光子芯片上，关键图形化仅需一步电子束光刻。其次，他们设计并制备了基于Sb2Se3/硅波导的非易失性光学相移器单元，作为可编程马赫-曾德尔干涉仪的基本构建模块。第三，也是最具创新性的一点，他们开发了一套“编程-验证”算法及自动化实验系统。该系统通过计算机控制，在施加电编程脉冲后，实时监测光学输出功率作为反馈，据此自动决定下一个脉冲的参数，以迭代方式将器件精确驱动至目标光学状态，实现了误差小于0.1%的高精度调谐。最后，他们利用这套系统，对集成了多个相变材料单元的可编程光子回路进行了复杂的配置与功能演示。
研究结果
可双向电编程的非易失性马赫-曾德尔单元
研究首先在单个平衡马赫-曾德尔干涉仪单元上验证了核心概念。该单元每个臂上集成有一个Sb2Se3相移器。测量表明，该相移器能够实现低损耗（约0.037分贝每π相移）和可逆的相位调谐。更重要的是，通过施加不同幅度和宽度的电脉冲，研究团队不仅实现了完全的非晶化与晶化，还展示了对部分非晶化和部分晶化状态（即中间态）的精确访问。这种准连续、双向的调谐能力，是后续实现闭环“编程-验证”控制的基础。在一个演示中，系统成功地将马赫-曾德尔干涉仪的输出透射率自动编程至目标值-15分贝，误差小于0.1%，有力反驳了相变材料无法进行确定性多比特操作的普遍观点。
用于光路交换的循环马赫-曾德尔网格结构
基于上述可编程单元，研究团队构建了1x2矩形马赫-曾德尔网格，并演示了其作为4x4光路交换 fabric 的功能。通过将每个马赫-曾德尔干涉仪编程到全交叉或全直通状态，他们成功地将特定的输入光模式路由到不同的输出端口。研究展示了从初始状态到五种不同系统配置的重新编程，测量得到的输入-输出映射图显示，在大多数端口中，串扰低于-25分贝，实现了高质量的光信号路由。这验证了相变材料在复杂光子网络中实现零静态功耗、可重构开关的能力。
用于耦合微环谐振器的循环MZI网格结构
同一个循环网格还可以被重构成光学谐振系统。研究人员将系统配置成一个与总线波导耦合的微环谐振器。通过精细调谐一个马赫-曾德尔干涉仪的耦合系数，他们实现了从过耦合到临界耦合的连续调控，测得的临界耦合谐振器的品质因子（Q值）约11.3万，对应的本征Q值高达约22.6万，证明了整个回路（包括波导、弯曲、多模干涉仪和Sb2Se3相移器）的损耗极低。更重要的是，他们演示了两个解耦合的微环谐振器共享一个总线波导，并可以独立调谐其中一个环的谐振状态，而完全不扰动另一个环。这直接验证了相变材料阈值调谐所带来的高度局部化和无热串扰的特性。
研究进一步利用这种精确的局部调谐能力，实现了一个耦合环谐振器系统，并研究了其物理特性。通过控制两个环之间的互耦合速率，他们实验观察到了从强耦合 regime（表现为两个分裂的谐振谷）到弱耦合 regime（合并为一个谐振谷）的连续过渡。这展示了基于相变材料的可编程系统在模拟物理现象和实现拓扑光子学方面的潜力。
前向MZI网格中的自配置PIC
除了循环结构，研究还演示了另一种典型架构——前向式马赫-曾德尔网格。他们利用该网格实现了一个两级的自配置光子集成电路，用于相干模式排序。具体功能是，将两个正交的输入光模式（由不同输入端口产生）分别排序到两个指定的输出端口。通过“编程-验证”方法逐步调谐网格中的马赫-曾德尔干涉仪，他们成功将第一个模式最大化输出到端口O1，同时将其正交模式最大化输出到端口O2，并最小化到其他端口的串扰。演示中实现了低于-12分贝的串扰，验证了相变材料在实现复杂、可重构线性光学处理器方面的能力。
研究结论与意义
这项研究成功演示了利用相变材料对大规模制造的光子集成电路进行低损耗、高精度调谐，为可扩展的可编程门阵列指明了一条清晰路径。尽管实验中可逆相移范围（约0.23π）小于理论值，但这并非相变材料的本质限制，可通过优化材料沉积与封装工艺来克服。从系统角度看，将非易失性电光可编程门阵列从几个马赫-曾德尔干涉仪网格扩展到包含数百上千个单元的晶圆级电路，主要挑战在于控制基础设施和算法，而非相变材料集成本身。
该研究的核心意义在于，它通过实验证据反驳了学术界关于相变材料因随机性而不适用于高精度可编程光子集成电路的普遍观点。研究证明，借助简单的闭环反馈和“编程-验证”方法，可以实现对相变材料状态的确定性、高精度控制。相变材料的阈值触发调谐行为，使得在大规模系统中热串扰可忽略不计，且后续调谐不会影响先前的设置，这是其相对于热光调谐的根本优势。
此外，相变材料的非易失性为光子集成电路带来了快速原型开发的潜力。由于无需持续偏置电源来维持配置，光子集成电路可以在没有引线键合或封装的情况下进行全功能设置，这将极大加速光子学教育乃至整个行业的原型开发周期。同时，所需的控制电路也可以比热光系统更简单。
总之，这项研究展示了两类基于马赫-曾德尔干涉仪的相变材料可编程光子集成电路：一类是支持宽带和谐振功能的多用途循环电路；另一类是可作为集成自配置系统的前向网格。这些演示为实现大规模、通用型、片上可编程光子系统奠定了坚实的基础，有望推动光子集成电路行业走向一个更灵活、更高效、功耗更低的新时代。
