華中科技大學(xué)的研究人員提出了一種像素化的可編程光子集成電路（PICs），其相變材料（PCMs）的20級(jí)中間態(tài)達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的高度。

這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《國(guó)際極端制造學(xué)報(bào)》（International Journal of Extreme Manufacturing）上，為激光誘導(dǎo)相變材料在神經(jīng)形態(tài)光子學(xué)、光學(xué)計(jì)算和可重構(gòu)元表面中的應(yīng)用鋪平了道路。

論文通訊作者、華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院朱金龍教授解釋說："基于可編程PCMs的PIC和元表面的研究主要利用熱退火和電熱轉(zhuǎn)換。相比之下，采用自由空間激光開關(guān)的多層次 PCM 在相位調(diào)制方面的靈活性大大提高"。

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像素化可編程非易失性光子集成電路

可編程 PIC 已成為光通信、傳感器和光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)領(lǐng)域的強(qiáng)大平臺(tái)。由于鈣化物 PCM 的無定形態(tài)與晶體態(tài)之間存在較大的折射率對(duì)比（Δn >1），研究人員對(duì)納米光子平臺(tái)中的 PCM 進(jìn)行了研究，以實(shí)現(xiàn)可編程光學(xué)功能。

雖然對(duì)非晶態(tài)和晶體態(tài)低損耗 PCM 的研究取得了重大進(jìn)展，但對(duì)微米尺度多級(jí)中間態(tài)的研究仍處于起步階段。基于可編程 PCM 的 PIC 和元表面的研究主要利用熱退火和電熱開關(guān)。

因此，利用多級(jí) PCM 和自由空間激光開關(guān)實(shí)現(xiàn)超高靈活相位調(diào)制的可編程 PIC 和元表面還鮮有報(bào)道。

研究人員研究了在微尺度上激光寫入單個(gè) Sb2S3 元素的多級(jí)中間態(tài)。通過優(yōu)化激光脈沖的功率和數(shù)量，在 120 ~ 320 脈沖范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了單個(gè) Sb2S3 像素的 20 級(jí)中間態(tài)。相變像素的直徑約為 1.2 μm，這是聚焦激光造成的。

研究人員利用微米級(jí)激光寫入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的多級(jí)中間態(tài)，在可編程馬赫-澤恩德干涉儀中模擬了基于 Sb2S3 的移相器，并證明它能在 785 nm 波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn) π 的 30 級(jí)移相精度。通過這種方式，模擬演示了超大規(guī)模像素化非易失性可編程 PIC 的可用性。

基于 Sb2S3 矩陣的可編程光子集成電路將對(duì)通用可編程光子電路和光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生積極影響。此外，激光誘導(dǎo)可編程器件的應(yīng)用領(lǐng)域還包括神經(jīng)形態(tài)光子學(xué)、光學(xué)計(jì)算和可重構(gòu)元表面。

研究人員正在繼續(xù)這項(xiàng)工作，將像素化可編程相變材料應(yīng)用于可編程光子集成電路和元表面。

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論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1088/2631-7990/ad2c60