DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-026-01934-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42544102
تاريخ النشر: 2026-06-04
المؤلف: Cristina Catalá-Lahoz وآخرون
الموضوع الرئيسي: البصريات الضوئية الانكسارية وغير الخطية
نظرة عامة
يتناول القسم التقدم في الفوتونيات المتكاملة القابلة للبرمجة، مع التركيز بشكل خاص على بوابة الفوتونيات القابلة للبرمجة غير المتطايرة التي تم تطويرها على منصة هجين من السيليكون وتيتانات الباريوم. تعالج هذه الابتكارات قيود المحولات الطورية المتطايرة التقليدية، التي تعاني من استهلاك طاقة مرتفع وتداخل حراري. يستخدم الجهاز المقترح تبديل المجالات الكهروإلكترونية، مما يمكّن من ذاكرة غير متطايرة تحتفظ بحالات الدوائر الضوئية المبرمجة دون الحاجة إلى طاقة مستمرة أو انحياز كهربائي. يتميز النظام بشبكة موجات سداسية مع 58 خلية وحدة قابلة للبرمجة و116 مشغل، محققًا سرعات تبديل سريعة تبلغ 80 نانوثانية وتقليل استهلاك الطاقة الثابت بشكل كبير إلى 560 نانووات لكل تحول طوري π.
تسلط الأبحاث الضوء على إمكانيات الفوتونيات السيليكونية الكهروإلكترونية غير المتطايرة كحل قابل للتوسع وفعال من حيث الطاقة لتطبيقات الحوسبة الضوئية المستقبلية، بما في ذلك اتصالات الجيل السادس، والاتصالات بين مراكز البيانات، والذكاء الاصطناعي. لتلبية الطلبات المتزايدة لهذه التطبيقات، سيكون من الضروري دمج الآلاف من المشغلات، مما يتطلب مزيدًا من التقدم في خلايا الوحدة القابلة للبرمجة التي تقلل من المساحة المأخوذة، والخسارة، واستهلاك الطاقة مع الحفاظ على سرعات ضبط سريعة. تواجه التقنيات الحالية، مثل الأنظمة الحرارية الضوئية والأنظمة الميكروإلكتروميكانيكية، تحديات في تحقيق هذه المتطلبات، مما يبرز أهمية النهج غير المتطاير المقترح في تقدم مجال الفوتونيات المتكاملة القابلة للبرمجة.
النتائج
يتناول قسم النتائج تطوير وأداء الدوائر المتكاملة الفوتونية القابلة للبرمجة (PPICs) التي تستخدم موجات متصلة وعناصر قابلة لإعادة التكوين 2 × 2 تعرف باسم خلايا الوحدة الفوتونية (PUCs). تستلهم هذه الدوائر من مصفوفات البوابات القابلة للبرمجة إلكترونيًا (FPGAs) وتهدف إلى تعزيز ميزانية الطاقة للمعالجات القابلة للبرمجة. تم استكشاف مواد غير متطايرة متنوعة، بما في ذلك المركبات المتغيرة الطور، والمواد الكهروإلكترونية، والأكسيدات الميمريستية، لمحوّلات الطور المتكاملة بسبب قدرتها على الحفاظ على الحالات الضوئية دون استهلاك طاقة مستمرة. من بين هذه المواد، تظهر المواد المتغيرة الطور (PCMs) مثل Ge2Sb2Se5 (GST) سرعات تبديل سريعة للتبلور ولكن تعاني من سرعات تبلور أبطأ وخسائر بصرية عالية، مما يحد من قابلية التوسع.
يسلط القسم الضوء أيضًا على استخدام الميمريستورات، التي يمكن أن تتبدل بين حالات المقاومة العالية والمنخفضة لتوفير تحولات طور قابلة للتحكم. أظهر تجربة حديثة محوّل طور ضوئي سيليكوني يعتمد على ميمريستور GaAs/Al2O3/Si مدمج في رنان حلقي ميكروي. يلغي تصميم PUC غير المتطاير (NV-PUC) استهلاك الطاقة الثابت من خلال السماح بتعيين الحالات والاحتفاظ بها دون انحياز مستمر. يستخدم التصميم محولات الطور من نيتريد السيليكون الهجين (SiN)-BTO، حيث تعيد نبضات الجهد توجيه المجالات الكهروإلكترونية لتغيير معامل الانكسار الفعال. يحتل الدائرة المصنعة، التي تحتوي على 58 PUCs و116 محول BTO، مساحة قدرها 2 × 10 مم²، مما يظهر الإمكانية للتكامل على نطاق واسع في الدوائر الضوئية.
المناقشة
تقدم الأبحاث خلية وحدة قابلة للبرمجة غير متطايرة جديدة (NV-PUC) مدمجة في شبكة موجات سداسية ضوئية سيليكونية، مستفيدة من مشغلات تيتانات الباريوم (BTO) الكهروإلكترونية. يسمح هذا التصميم بوضعيات تشغيل متطايرة وغير متطايرة، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة الثابت إلى 560 نانووات/π لكل مشغل، مقارنةً بمحوّلات الطور الحرارية الضوئية التقليدية التي تتطلب 1.3-20 مللي وات لكل تحول طوري. يستخدم NV-PUC تأثير بوكيل لتحقيق تبديل سريع (حوالي 80 نانوثانية)، بينما يمكّن أيضًا استجابة بصرية مستقرة تعتمد على التاريخ تتميز بدائرة هسيتريز على شكل فراشة في معامل الانكسار الفعال. تسهل هذه الوظيفة المزدوجة برمجة حالات معامل انكسار مستقرة متعددة، مما يعزز قابلية التوسع وكفاءة الدوائر الضوئية القابلة للبرمجة.
تظهر الشبكة السداسية مرونة في محاكاة وظائف بصرية متنوعة، بما في ذلك مرشحات الاستجابة النبضية المحدودة (FIR) والاستجابة النبضية غير المحدودة (IIR)، بالإضافة إلى تحويلات بصرية خطية متعددة المدخلات/المخرجات. يتم التحقق من أداء الجهاز من خلال تجارب عملية، محققًا دقة عالية في توجيه الإشارات وتطبيقات البث. تشير النتائج إلى أن دمج NV-PUC لقدرات الذاكرة غير المتطايرة مع التشغيل عالي السرعة يمكن أن يحول بشكل جذري مشهد الفوتونيات المتكاملة، مع معالجة التحديات الحرجة المتعلقة باستهلاك الطاقة وإدارة الحرارة في المعالجات الضوئية على نطاق واسع. ستركز الأعمال المستقبلية على تحسين خسارة الإدخال وتطوير واجهات إلكترونية آلية لاستغلال قدرات المنصة بالكامل.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-026-01934-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42544102
Publication Date: 2026-06-04
Author(s): Cristina Catalá-Lahoz et al.
Primary Topic: Photorefractive and Nonlinear Optics
Overview
The section discusses advancements in programmable integrated photonics, specifically focusing on a novel non-volatile field-programmable photonic gate array developed on a hybrid silicon-barium titanate platform. This innovation addresses the limitations of conventional volatile phase shifters, which suffer from high power consumption and thermal crosstalk. The proposed device employs ferroelectric domain switching, enabling non-volatile memory that retains programmed optical circuit states without the need for continuous power or electrical bias. The system features a hexagonal waveguide mesh with 58 programmable unit cells and 116 actuators, achieving rapid switching speeds of 80 ns and significantly reducing static power consumption to 560 nW per π phase shift.
The research highlights the potential of non-volatile ferroelectric silicon photonics as a scalable and energy-efficient solution for future photonic computing applications, including 6G communications, data center interconnections, and artificial intelligence. To meet the increasing demands of these applications, the integration of thousands of actuators will be necessary, necessitating further advancements in programmable unit cells that minimize footprint, loss, and power consumption while maintaining fast tuning speeds. Current technologies, such as thermo-optic and micro-electromechanical systems, face challenges in achieving these requirements, underscoring the significance of the proposed non-volatile approach in advancing the field of programmable integrated photonics.
Results
The results section discusses the development and performance of programmable photonic integrated circuits (PPICs) utilizing interconnected waveguides and reconfigurable 2 × 2 elements known as photonic unit cells (PUCs). These circuits are inspired by electronic field-programmable gate arrays (FPGAs) and aim to enhance the power budget of programmable processors. Various non-volatile materials, including phase-change compounds, ferroelectrics, and memristive oxides, have been explored for integrated phase shifters due to their ability to maintain optical states without continuous power consumption. Among these, phase-change materials (PCMs) like Ge2Sb2Se5 (GST) exhibit fast switching speeds for amorphization but suffer from slower crystallization speeds and high optical losses, which limit scalability.
The section also highlights the use of memristors, which can switch between high and low resistance states to provide controllable phase shifts. A recent experiment demonstrated a silicon photonic phase shifter based on a GaAs/Al2O3/Si memristor integrated into a microring resonator. The non-volatile PUC (NV-PUC) architecture eliminates static power consumption by allowing states to be set and retained without continuous bias. The design employs hybrid silicon nitride (SiN)-BTO phase shifters, where voltage pulses reorient ferroelectric domains to alter the effective refractive index. The fabricated circuit, featuring 58 PUCs and 116 BTO phase shifters, occupies a footprint of 2 × 10 mm², showcasing the potential for large-scale integration in photonic circuits.
Discussion
The research presents a novel non-volatile programmable unit cell (NV-PUC) integrated into a silicon photonic hexagonal waveguide mesh, leveraging ferroelectric barium titanate (BTO) actuators. This architecture allows for both volatile and non-volatile operation modes, significantly reducing static power consumption to 560 nW/π per actuator, compared to conventional thermal-optical (TO) phase shifters that require 1.3-20 mW per phase shift. The NV-PUC utilizes the Pockels effect for rapid switching (approximately 80 ns), while also enabling a stable, history-dependent optical response characterized by a butterfly-shaped hysteresis loop in the effective refractive index. This dual functionality facilitates the programming of multiple stable refractive index states, enhancing the scalability and efficiency of programmable photonic circuits.
The hexagonal mesh demonstrates versatility in emulating various optical functions, including finite impulse response (FIR) and infinite impulse response (IIR) filters, as well as complex multiple-input/multiple-output linear optical transformations. The device’s performance is validated through experimental demonstrations, achieving high fidelity in signal routing and broadcasting applications. The findings indicate that the NV-PUC’s integration of non-volatile memory capabilities with high-speed operation can fundamentally transform the landscape of integrated photonics, addressing critical challenges related to power consumption and thermal management in large-scale optical processors. Future work will focus on optimizing insertion loss and developing automated electronic interfaces to fully exploit the platform’s capabilities.