光学忆阻器代表了光子学和电子学融合的巨大飞跃，预示着从神经形态计算到人工智能的新应用新时代的到来。然而，当前的技术受到制造复杂、耐久性有限、光损耗高或调制效率低的阻碍。我们首次通过电操纵铁电畴来控制折射率，史无前例地揭示了薄膜锆钛酸铅 (PZT) 中的光学非挥发性，为光学忆阻器提供了全新的途径。所开发的 PZT 光学忆阻器提供了前所未有的优势，不仅仅是低损耗、高精度、高效调制、高稳定性准连续性和可重构性等卓越性能指标。晶圆级溶胶-凝胶制造工艺还确保与标准化大规模制造工艺兼容，并为光子集成提供高可扩展性。具体来说，这些器件还展示了独特的功能二元性：高于阈值电压可实现非易失性行为，低于此阈值则允许易失性高速光切换。这标志着有史以来第一个能够在单一平台上执行高速信号处理和非易失性保留的光忆阻器，也是可扩展功能系统的首次演示。这里开发的 PZT 光忆阻器有助于实现高速节能光互连、可编程 PIC、量子计算、神经网络、内存计算和类脑架构的新范式。

划重点

4,6,8英寸销售#PZTOI晶圆 PZT300nm -3um/5um SIO2-SI525um

1cm 1英寸 2英寸单晶BTO（百nmBTO-STO300um）销售

SLT和SLN与其对应的同成分相比电光系数和非线性系数都有比较大的提高，有利于电光器件的制作。对于制作周期极化结构，其畴结构的变化和矫顽场的降低，制作的周期结构更加容易和质量更好。由于SLT折射率差值变得更小，Ppslt更容易在量子光学上得到应用。

*PPSLN/PPSLT

划重点--销售晶圆和加工

ALOOI晶圆；--氧化铝薄膜晶圆，键合工艺和镀膜工艺

TAOOI晶圆--氧化钽薄膜晶圆，镀膜工艺

SINOI晶圆；--超低损耗氮化硅薄膜晶圆，

SICOI晶圆；新型量子光学平台

6寸LTOI晶圆批量供应；铌酸锂的有力的竞争对手，薄膜钽酸锂晶圆

8寸LNOI晶圆;8寸LNOI助力更大规模薄膜铌酸锂产品量产

LN/LT-SOI/Si/SIN  W2W&D2W异质集成

流片： 6寸 氮化硅 铌酸锂 硅光 超高性价比流片， 1个BLOCK的价格买一整片晶圆

划重点--全国产-超高性价比-6 寸硅光-氮化硅-铌酸锂流片白皮书

简介

忆阻器具有主动调制信号和保持类似于哺乳动物大脑突触活动的记忆状态的能力，为非易失性存储器和神经形态计算开辟了新途径，显着提高了能源效率和集成密度，同时绕过了冯·诺依曼瓶颈 1。受到电子忆阻器卓越性能和技术前景的启发，光子学界一直在努力开发一种光学对应物，即光学忆阻器，它能够调制光的振幅/相位，并保持非易失性状态2。光学忆阻器代表了光子学和电子学融合的巨大飞跃，预示着高速节能信息处理的新时代的到来，有望超越传统架构的限制。人们为开发光学忆阻器做出了巨大努力，以创造光子集成电路 (PIC) 的新范式，并催化新应用的出现，包括高效内存计算3-6、大脑启发式架构7、PIC 的制造后修整，用于校准具有制造敏感结构的复杂可编程光学处理器的操作，更多详细信息请参阅补充部分 1。其中，相变材料 (PCM) 8-16 因其一些有利的特性而受到广泛关注，而非晶/晶体相变的固有控制机制的困难可能会阻碍其在大规模集成中的广泛应用2。微机电系统 (MEMS)17,18 和基于电荷19,20 的光学忆阻器很有趣，但仍然存在制造复杂性或无法进行多级调谐的问题，到目前为止很少有实验演示的报道2。铁电材料是另一种选择，它允许通过施加外部电场21,22切换非挥发性铁电畴来存储光学信息。在参考文献22中，普克尔斯系数是可控的，因此折射率在施加到薄膜BaTiO3（BTO）的直流（DC）偏压下发生变化。然而，薄膜BTO的异质集成需要一些复杂的工艺，包括分子束外延、直接晶圆键合和晶圆研磨，而BTO波导的调制深度为2×10-3，传播损耗为4.8 dB / cm，为进一步改进留下了空间。此外，需要持续施加外部DC偏压，因此维持该状态仍需要电源，导致空闲状态下持续功耗。因此，我们期望在光学性能、开关速度、能量、制造工艺以及系统级集成能力方面做出更多努力，探索光学忆阻器的全新路线2。

在这项工作中，我们首次揭示了薄膜PZT中的光学非挥发性和挥发性。

与BTO不同，我们可以通过电操纵铁电畴极化直接精确控制折射率，不需要偏置电压，为实现光学忆阻器提供了新的平台。这里成功开发的PZT光学忆阻器包括代表性的关键的构建模块，例如微环谐振器 (MRR)、马赫-曾德尔干涉仪 (MZI) 和法布里-珀罗 (FP) 腔——这些是推进大规模片上可编程光子系统 23 的多功能基本元件，并展示了电可重构和 64 级准连续非易失性相位调谐，具有亚微焦耳开关能量和零维持功率以及数周的长期稳定性。我们还展示了 PZT 光学忆阻器的可扩展性，用于开发 PIC，具有忆阻光开关矩阵和自适应忆阻腔。

为薄膜 PZT 开发的晶圆级溶胶-凝胶制造工艺不仅确保了 CMOS 兼容性和可扩展性，而且还保持了低传播损耗，使其成为晶圆级片上光子集成的理想选择。具体而言，我们的 PZT 光学忆阻器具有与阈值电压 Vth 相关的独特功能二元性，这在已报道的平台中尚不可用：在高于 Vth 的电压下工作可实现非易失性，同时域偏振会永久变化，而在低于 Vth 的电压下工作可实现快速易失性光学切换/调制，具有高效的 Pockels 效应。这标志着有史以来第一个能够在单个平台上执行高速信号处理和非易失性保留的光学忆阻器，并首次展示了具有电控光学忆阻器的可扩展功能系统。我们的发现强调了在高速节能光学互连24、可编程 PIC25、量子计算26,27、神经网络4,28、内存计算6 和类脑计算29 中的广泛应用的巨大前景。

图 1 | 光学 PZT 忆阻器。a. PZT 光学忆阻器的晶圆级溶胶-凝胶制造工艺。b. 旋涂晶圆的照片，显示均匀无缺陷的键合。c. 薄膜 PZT（厚度~300nm）顶视图的扫描电子显微镜 (SEM) 照片。d. 薄膜 PZT 的 AFM 图像。e. 4 英寸晶圆的照片，包括使用紫外线步进光刻系统图案化的制造 PZT 光学忆阻器。f. PZT MRR 的彩色 SEM（蓝色）。g. PZT 脊形波导横截面的 SEM 照片。h. 脊形波导横截面和极化过程的示意图。i. 极化前后的 PZT 晶胞表示。j.折射率变化∆𝑛𝑛eff(𝑃𝑃𝜈𝜈)与净铁电畴极化的关系，

以及PZT中铁电畴的相应简化顶视图示意图。k. Vset/Vreset与∆𝑛𝑛eff的磁滞回线l弯曲半径为60μm的MRR的光学显微镜图像。m. 一种独特的非挥发性状态的单周期演示，插图：设置协议的过程。n. 在不同设置电压Vset下，基于MRR的PZT光学忆阻器的直通端口处测量的传输。o. 随着驱动电压Vdr的变化，使用不同的设置电压Vset测量基于MRR的PZT光学忆阻器的谐振波长失谐。p.数据速率为 48 Gbps、驱动电压 Vdr 为 3 V 的 NRZ 调制眼图。

薄膜 PZT 晶片和光波导的制造采用溶胶-凝胶工艺进行，如图 1a-g 所示（更多细节见方法）。4 英寸 PZT 晶片的顶面粗糙度为 0.7 nm，厚度不均匀性小于 5 nm，如图 1b-d 所示。所有后续工艺，包括光刻、干法蚀刻和副产品清洁工艺，都经过优化，以实现具有光滑侧壁/顶面的 PZT 光波导，从而实现高质量构建块和多功能光子集成电路 (PIC)，如图 1e-g 所示。这种为 PZT PIC 开发的晶片级溶胶-凝胶制造工艺确保了出色的 CMOS 兼容性和高可扩展性以及低成本生产。图 1e 显示了制备的 PZT 波导的横截面，其中极化电极策略性地放置在平板上和脊的两侧。

作为铁电材料，PZT 具有钙钛矿晶体结构。最初，晶体处于顺电相，正负电荷中心对齐在体中心（参见图 1i 的左侧部分）。当将极化电压 Vpol 施加到薄膜 PZT 时，Zr 和 Ti4+ 离子会向八个顶点之一移动，导致正负电荷中心发生位移。这种转变引入了 PZT 的域重新定向，从而增强了其极化率。因此，这些组合物表现出优异的介电和铁电性能 30（图 1i）。撤去外加电场后，PZT 薄膜内部的铁电畴仍保持一定的极化强度，称为剩余极化强度31。PZT 薄膜的折射率 neff(Pν) 与 PZT 中的剩余极化强度32 有关，即

其中 neff0 是具有随机极化的薄膜 PZT 的折射率，n1 是相对折射率，Pν 是净铁电畴极化，P0 是薄膜边界上的铁电畴极化。根据公式 (1)，PZT 中混合极化畴的不同比例（取决于 Vset）将导致不同的折射率 neff(Pν)，如图 1j（补充部分 2）所示。因此，可以通过施加不同的设定电压 Vset 来控制非挥发性“SET”过程，该电压维持约一分钟以稳定铁电畴，从而实现不同的 neff(Pν)。类似地，施加反向电压可以将 PZT 中的净铁电畴极化重置为其初始状态。图 1k 中给出的 PZT 磁滞回线描述了 Δneff 与 Vset 之间的关系。

值得注意的是，该器件表现出与阈值电压Vth相关的独特功能二元性。为了实现非挥发性效应，施加的电压应高于Vth，以引起铁电畴极化的显着变化。另一方面，当电压小于Vth时，弱电场不会引起铁电畴极化的显着变化，因此折射率通过PZT中的Pockels效应以电方式调制，为实现高速电光（EO）调制或切换而不触发非挥发性效应提供了有效的途径。

根据这一原理，我们采用薄膜PZT MRR实现多级非挥发性操作和高速挥发性操作后极化（图1l）。当电极间距为 4 μm 时，该 MRR 的阈值电压经实验确定为 ~8 V。图 1m 显示了一个独特的非挥发性状态的单周期演示，改变设定电压 Vset 会导致多级

非挥发性共振波长失谐，如图 1n 所示。压电响应力显微镜 (PFM) 图像直观地显示了补充部分 3 中不同设置电压 Vset 下薄膜 PZT 波导中畴极化的变化。对于高速挥发性操作，使用当前的 MRR，首先通过测量制造的 MRR 相对于驱动电压 Vdr 的谐振波长失谐来表征 PZT 波导的 EO 调制效率及其对 Vset 的依赖性，当 Vset= 0、10、15 和 20 V 时设置。这里 Vdr 从 −8 V 变化到 8 V，保持在阈值以下，如图 1o 所示。当 Vdr 为负（即与极化方向相反）时，测得的调制效率分别为约 42、25、12 和 6 pm/V，Vset= 0、10、15 和 20 V。当 Vdr 为正时，调制效率分别为 26、33、20 和 23pm/V。调制效率对 Vset 依赖性的这种不对称性归因于这与我们在补充部分 2 中的理论预测一致，是由于 PZT 中的特殊机制。然后，使用方法中描述的设置演示了 NRZ 信号的高速 EO 调制。如图 1p 所示，在 48 Gbps 下，驱动电压 Vdr 为 3 V 的记录 NRZ 眼图，展示了当前 PZT 忆阻器的功能二元性，可实现高速调制。

进一步的测量证实，制造的 PZT 波导具有 ~1.9dB/cm 的低传播损耗和 ~30 pm/°C 的低温度灵敏度（补充部分 4 和 5）。此外，我们还研究了薄膜 PZT 波导的直流漂移（补充部分 6），发现高稳定性，相位漂移小于 0.05π，可忽略不计。直流漂移问题通常会给其他电光调制器或开关带来挑战，例如在薄膜铌酸锂 33 上制造的电光调制器或开关，而解决该问题的能力对于各种光开关和调制应用来说非常有前景。因此，薄膜 PZT 作为开发片上光学忆阻器的全新平台，提供了一个有前途的选择，因此我们在以下部分中介绍了几种用于各种应用的代表性构建块。

构建模块

基于 MZI 的 PZT 光学忆阻器

MZI 是片上光子系统的关键基本组件，包括多种功能，例如光调制、光开关、可变光衰减、光滤波、用于光互连的可变光分路和光计算 34,35。例如，大规模光子开关通常由 2×2 MZI 开关组装而成，这些开关互连成各种拓扑的网络或阵列，包括交叉开关、Benes 和路径无关损耗 (PI-Loss)，以及它们的众多变体 28,34,36。然而，开发大规模 PIC 面临着巨大的挑战，特别是在校准大量 MZI 元件时，因为它们的初始状态存在随机相位误差，这通常需要复杂的过程和额外的功耗。在本节中，我们展示了用于光切换的基于 MZI 的 PZT 光学忆阻器（图 2a-b），重点介绍了它们在简化校准和非易失性可重构性以及易失性高速光信号处理方面的潜力。

本基于 MZI 的 PZT 光学忆阻器由两个不平衡臂和两个 2×2 多模干涉仪组成，分光率为 50%：50%。用于施加横向电场的电极被放置在这两个臂波导的两侧，形成长度约为 1.0 毫米的移相器。最初，我们通过沿图 2a 所示的方向施加电压来极化臂波导。图 2c 显示了当 Vset 增加 20 个级别时，测量到的陷波波长的非易失性准连续调谐，实现了每级 100 pm 的精细分辨率，步长小于 1.0 V。特别是，当 Vset=15.0 V 时，实现了 π 的非易失性相移。非易失性设置的功耗在亚微焦耳级，这是由于薄膜 PZT 中的漏电流接近于零（小于 ~0.05 nA）（补充部分 7）。重要的是，可以在需要时通过施加 ~80 V 的高极化电压 Vpol 来重置薄膜 PZT，从而擦除 PZT 光学忆阻器的设置状态。为了进一步证明薄膜 PZT 的功能二重性，MZI 以图 2a 所示的推挽配置运行，用于驱动电压 Vdr 低于 Vth 的高速光信号处理。图 2d 显示了在 10 MHz 频率下施加 4 Vpp（电压峰峰值）时的测量结果（方法），表明该设备可在纳秒级切换。图 2e 分别展示了在 Vdr= 0 和 5.0 V 下运行时，在具有 1 毫米长移相器的 MZI 交叉端口处测量的传输，表明实现了 π 的相移，相应地调制效率 VπL 约为 0.5 V∙cm。经估算，极化后 PZT 的普克尔斯系数高达 120 pm/V，比铌酸锂 37 高出四倍多，为实现高效、高速电光开关/调制开辟了革命性的途径。

图 2 | 本研究基于 MZI 的 PZT 光忆阻器。a. 基于 MZI 的 2×2 PZT 光忆阻器示意图，由两个带有 1 毫米长移相器的不平衡臂和两个 2×2 多模干涉仪组成，分光率为 50%：50%；紫色箭头表示极化电场的方向；蓝色箭头表示施加的驱动电压 Vdr 的方向。b. 制备的 2×2 MZI 光忆阻器的光学显微镜图像。c. 波长陷波的准连续调谐，设定电压 Vset 从 8 V 变化到 32 V。在施加设定电压以设置任何状态之前，通过施加 80 V 的高极化电压 Vpol 重新初始化该光忆阻器。d. 实时光调制测量。当设备以 4 Vpp 的驱动电压 Vdr 和 10 MHz 的频率运行时，直通端口的归一化输出强度。上方代表输入电信号，下方代表切换光信号。e. 分别在 Vdr =0 和 5.0 V 下运行时测量的交叉端口传输。

基于 FP 腔的 PZT 光学忆阻器

光学腔因其在结构灵活性、占地面积紧凑性和能源效率方面的巨大优势，被认为是实现各种功能（包括光学滤波、调制或切换）的另一个关键元件 38-40。不幸的是，谐振波长通常极易受到制造变化的影响，因此人们通常需要热或电调谐谐振波长以进行对齐，同时产生额外的高功耗 41。在本节中，我们提出了一种基于 1×2-FP 腔的 PZT 光学忆阻器，如图 3a-b 所示（更多设计细节见补充第 8 节）。请注意，本装置的腔长较短，可实现高达 8 nm 的自由光谱范围 (FSR)，这比同一芯片上的常规 MRR 大得多，有助于清楚地观察此处揭示的多级非挥发性。利用该 PZT 光学忆阻器，我们通过将电压 Vset 从 10 V 变为 36 V，实现了准连续 64 级（6 位）非易失性设置，如图 3c-d 所示。最大波长失谐达到 3.0 nm，相应的非易失性折射率变化约为 4.6×10-3（补充部分 9）。这种准连续非易失性使得光子器件的相移操纵变得精确。同时，共振峰的 Q 因子几乎保持不变，这表明通过操纵薄膜 PZT 中的域极化实现的多级非易失性不会对波导的传播损耗产生显着影响。通过进一步优化设置电压 Vset，可以实现更多级别的非易失性。图 3e 通过分别以 Vset=30、21、23、25 和 36 V 为示例来表征五个目标状态集，证明了基于 FP 腔的光忆阻器卓越的可重复性和稳定性。对于每个目标状态，重复以下循环过程 20 次（补充第 10 节）：（i）设置目标状态；（ii）测量共振波长；（ii）擦除到初始状态。这二十个对应于相同设置电压 Vset 的共振波长具有非常出色的一致性和可重复性，波长变化小于 ±0.05 nm，验证了 PZT 光忆阻器在创建高可靠性和多级非易失性光子元件方面的巨大潜力，更多细节见补充第 11 节。

基于 FP 腔的 PZT 忆阻器的功能二元性也在实验中得到了展示。

当工作在低于 Vth 的电压下时，该 PZT 忆阻器证明了其可用于高速光切换/调制。具体而言，在驱动电压选择为 4 Vpp 的情况下，以 1 Hz、100 kHz 和 5 MHz 的不同调制频率测量了该设备的时间响应，如图 3 f-h 所示。光信号在不同频率上进行了有效调制，展示了该设备用于高速切换的多功能性，同时具有最小的电光弛豫效应，这对于低频或长时间尺度应用（例如调制器中普遍存在的直流偏置）42 至关重要。如图 3i 所示，切换表现出约 2.5 ns 的快速上升/下降时间，主要受实验室测量设置的限制。从本质上讲，切换速度可以在亚纳秒级实现。图 3j 展示了在不同驱动电压 Vdr（−10、0 和 +10 V）下操作时，该 FP 腔直通端口处测得的静态光谱响应。负偏压和正偏压下的 EO 调制效率不同，测量值分别为 30 pm/V 和 20pm/V，显示出与上述基于 MRR 的 PZT 光学忆阻器类似的不对称性。通过明智地选择适当的铁电畴极化和偏置电压，可以提高有效普克尔斯系数，这有利于开发高速光学处理系统所需的高性能 EO 调制器。

图 3 | 本 FP 腔基 PZT 光学忆阻器。a. 示意图。MWG、多模波导光栅、Modemux、模式多路复用器。b. 所制造设备的光学显微镜图像。c. 在不同设置电压 Vset 下测量的直通端口的传输光谱响应。d. 通过施加不同的设置电压 Vset 引起的 64 级设置过程（1559.2 nm 失谐）。e. 五种不同的非挥发性状态，对应于 30、21、23、25 和 36 V 的设置电压 Vset。对于每种非挥发性状态，测量了 20 个周期的共振波长失谐。实时光调制测量：f-h：当使用频率为 1 Hz (f)、100 kHz (g) 和 5 MHz (h) 的矩形驱动电压信号 (Vdr=4Vpp) 时，直通端口的归一化输出光强度。i. 切换光信号的上升/下降沿。j. 当使用不同的驱动电压 Vdr 分别工作在 −10、0 和 +10 V 时，在 FP 腔的直通端口测量的光谱响应

可扩展 PZT 光学忆阻器实现的多功能光子电路

以前报道的光学忆阻器仍然局限于单个元件（如 MZI 和 MRR）12,22 的实现，尚未展示其在具有大规模集成的片上多功能光子系统方面的潜在可扩展性，而这对于实际应用至关重要。

在这里，我们努力展示我们的 PZT 光学忆阻器的可扩展性和多功能性，具有以下两种代表性架构，包括忆阻光开关矩阵和用于光谱操控的自适应忆阻多通道光腔。

忆阻光开关矩阵。

这里展示的忆阻光开关矩阵是一个具有 Benes 拓扑的 4×4 无阻塞光开关，如图 4a 所示，集成了六个基于 2×2 MZI 的 PZT 光学忆阻器，分为三级级联和两个波导交叉（补充部分 12）。最初，这六个 2×2 MZI 由于波导尺寸的随机变化而显示出显着的随机相位误差，这是开发大规模 PIC43 的常见挑战。图 4b 显示了在初始状态下从端口 Ii 到端口 Oj 测量的传输 Tij（i，j=1、2、3、4），没有任何校准，说明来自任何一个输入端口的光都以随机功率比路由到目标和非目标输出端口（补充部分 13）。在这种情况下，对于传统的 MZI，通常需要进行仔细的校准，这会增加开发的复杂性，还会消耗额外的电量来补偿随机相位误差43。幸运的是，可以利用 PZT 非易失性为每个 2×2MZI 引入永久相位校正，方便地补偿初始随机相位误差。通过施加适当的设定电压，我们实现了从 0 到 π 的相移，有效地将每个 MZI 重新配置为所需的 ON 或 OFF 状态。通过应用最佳设定电压 Vset 成功演示了几种典型的路由配置，如补充材料中的图 4c-e 和表 S2 中所述。例如，我们以非易失性方式配置路线如下：(1) 配置 #1，其例程为 I1→O1、I2→O2、I3→O3 和 I4→O4； (2)配置 #2 具有 I1→O3、I2→O4、I3→O1 和 I4→O2 的例程；(3) 配置 #3 具有 I1→O2、I2→O1、I3→O3 和 I4→O4 的例程。所有这些光学例程的非易失性重新配置均在 1530-1600nm 的波长范围内实现了高于 15 dB 的适当消光比。特别是，对于单个 MZI，可以实现非易失性光功率路由，其中心波长的低过量损耗小于 0.3 dB，高消光比大于 30 dB（补充部分 14）。理论上，通过精细的相位控制可以进一步提高性能。该忆阻光开关矩阵进一步用于演示高比特率数据路由，选择配置 #3 作为示例（补充第 14 节），并将 40 Gbps 不归零 (NRZ) 数据发送到相应的输入端口。图 4f 显示了配置 #3 中数据路由的测量眼图，显示出高信噪比，显示出开发具有出色非易失性重构和高速操作的大规模 N×N 光开关矩阵的巨大潜力。非易失性补偿初始随机相位误差的能力消除了校正所需的持续功耗，代表了开发可编程光子芯片的一大进步。

图 4 | 由可扩展 PZT 光学忆阻器实现的多功能光子电路示例：a、4×4 光开关的光学显微镜图像。b. 在具有随机相位误差的初始状态下从输入端口（I1、I2、I3 和 I4）到输出端口（O1、O2、O3 和 O4）测量的传输图表。c-e 当所有 2×2 MZI 开关通过施加适当的设置电压重新配置为所需的光学例程（由配置 #1、#2 和 #3 定义）时，从输入端口（I1、I2、I3 和 I4）到输出端口（O1、O2、O3 和 O4）测量的传输图表。f.按照配置 #3 定义的路径 (I1-O2、I2-O1、I3-O3、I4-O4) 传播的光信号的测量眼图。基于 FP 腔的 PZT 光学忆阻器级联用于自适应忆阻光谱操控：g. 示意性配置；h. 所制造设备的光学显微镜图像；i.在未经任何校正的初始状态下测量的直通端口处的透射光谱；j. 当通过施加相应的设置电压 Vset 仔细对准每个 FP 腔的谐振波长以具有均匀的通道间距时，在直通/交叉端口处测量的透射光谱；k. 当通道 #1 和 #3 被擦除并回溯性重置以使其谐振波长分别与通道 #2 和 #4 对齐时，在直通/交叉端口处测量的透射光谱

用于光谱操控的自适应忆阻光腔。

光腔已经非常流行地发展并且应用非常广泛，而谐振波长必须进行调整以对齐，同时会产生额外的功耗 41。在这里，我们开发了一种自适应方法，用于非易失性地微调 PZT 光忆阻器级联多个 FP 腔的谐振波长（图 4g-h）。图 4i 给出了在直通端口处测量的初始传输，显示通道间距的高度不均匀性，这严重阻碍了系统中的应用。当通过施加适当的设置电压 Vset 15、30、12 和 13V 来调整通道 #1- #4 时，谐振波长与 200 GHz（1.6 nm）的均匀通道间距很好地对齐，如图 4j 所示。请注意，这些 FP 腔的 Q 因子变化可以忽略不计，进一步验证没有引入额外损失。为了进一步验证非易失性光谱操控，通道 #1 和 #3 的设置状态被擦除并用 8 V 和 15 V 重置，这样它们的共振波长分别与通道 #2 和 #4 对齐，如图 4k 所示。因此，本四通道基于 FP 腔的 PZT 光学忆阻器被成功重新配置为具有双通道光谱响应，通道间距为 400 GHz，消光比增强 >25 dB。该芯片在室温下储存三周后也进行了表征，表现出小于 0.01 nm 的平缓共振波长偏移，从而验证了高长期稳定性（补充第 15 节）。这对于实际应用至关重要。所展示的非挥发性解决了用于波长选择开关 (WSS) 等应用的光腔的关键问题，而波长选择开关是柔性光网络 44 中的关键组件。此外，本结构还可以用作调制器阵列，可与光频梳或多波长激光器协同工作，实现超高容量光互连 41 或具有多波长通道的光计算 45,46。

图 4 中的这些演示展示了 PZT 光学忆阻器在开发用于许多应用的大规模光子芯片方面的巨大潜力，为未来基于忆阻器的光子计算和通信平台铺平了道路。

光学 PZT 忆阻器的潜在应用愿景

图 5 展示了我们对所开发的光学 PZT 忆阻器的潜在应用愿景，

该愿景突出了薄膜 PZT 平台在 PIC 中的广泛应用前景，展示了在光互连、微波光子学、光神经网络和激光雷达等领域的巨大潜力。

如图 5 所示，展示了紧凑型光发射器/接收器的一般架构，该发射器/接收器具有多个级联的 FP 腔调制器或滤波器，这是高容量波分复用光互连所需的。对于该光发射器，这些级联 FP 腔调制器的易失性支持高速 EO 调制，而它们的电非易失性用于精确微调以对齐定义的中心波长。对于该接收器，非易失性用于实现多通道 FP 腔滤波器的精确波长对齐。通过这种配置，可以使用光学频率梳激光源实现超紧凑、高速、节能和高数据容量的光互连系统。与其他非易失性解决方案相比，本薄膜 PZT 平台支持低损耗波导传播以及高速 EO 调制，从而实现各种大规模可重构 PIC。例如，多个高速 EO MZI 开关和低损耗波导螺旋的集成可以实现高速可调光学延迟线和阵列，从而有助于实现可以跨时间、波长和空间维度操纵信号的高速并行信号处理器。该芯片可以方便地重新配置以支持一系列高级功能，包括精确的微波接收、窄带微波滤波和用于光学计算的宽带宽任意波形生成。 PZT 光波导固有的非易失性允许精确调整 MZI 开关中的随机相位误差，从而大大简化了控制系统，并在用于处理复杂多样的信号处理任务时显着降低了 PIC 的能耗。

我们还提出了一种通用光学神经网络 (ONN) 架构，可以使用配备 MZI 或 MRR 的现有 PZT 光学忆阻器有效实现，而无需任何额外的设计复杂性，并且带来了重大挑战，如图 5 所示。在此示例中，该架构采用 MZI 设计，而e 也可以类似地开发 MRR 网格。利用这种 ONN，当驱动电压 Vdr 低于阈值电压 Vth 时，通过薄膜 PZT MZI 的挥发性可以实现高速训练。在网络训练得很好之后，可以通过根据设置电压 Vset 适当调整基于 MZI 的光学忆阻器的一个臂来实现非挥发性设置。相比之下，使用非挥发性 PCM 进行光脉冲重新配置对大规模 PIC 提出了挑战，因为无法支持高速训练、控制系统的复杂性以及无法实现超低能耗。最后但并非最不重要的一点是，利用当前 PZT 光忆阻器在低于 Vth 时工作的高速 EO 调制能力，可以实现具有频率调制连续波 (FMCW) 技术的光学相控阵 (OPA)，用于全固态光检测和测距 (LiDAR)。与流行的热光调制硅 OPA 相比，当前的 PZT 光忆阻器具有消耗超低能量、消除热串扰和实现超快调制速度的显着优势，这在高分辨率 LiDAR 系统的密集 OPA 中尤为重要47。另一方面，PZT 光忆阻器具有高调制效率、低温度敏感性以及低直流漂移，这显然比用于 OPA 的传统 EO 调制更具优势。这对于自动驾驶汽车和其他需要精确空间感知和物体检测的应用中的实时数据处理和快速环境测绘至关重要。

结论与讨论

本研究报道了一种基于薄膜 PZT 的全新集成光学忆阻器。我们揭示了通过利用薄膜 PZT 中的多级混合极化域状态直接控制具有电非挥发性的折射率的方法。我们提出的 PZT 光学忆阻器具有前所未有的优势，具有出色的性能指标，例如低损耗、低开关能量、高调制深度、高稳定性、准连续可重构性，而其他现有的光学忆阻器技术尚未同时实现这些优势（请参阅补充表 S1 中的详细信息比较）。此外，通过优化制造和设置/极化工艺，本 PZT 光学忆阻器的性能甚至可以进一步提高。根据参考文献中的观察。 48，表明薄膜 PZT 中的极化时间取决于脉冲持续时间和波形，通过缩短电压脉冲可以提高当前 PZT 光学忆阻器的设置和重置操作的速度。

值得注意的是，目前的 PZT 光学忆阻器具有独特的功能二元性，具有多级非易失性设置和高速易失性切换，如补充第 16 节所述。这标志着通过将非易失性和易失性技术独特地合并在单一平台中而取得的重大进步，这种能力尚未在其他地方报道过。非常令人兴奋的是，功能二元性为高速节能光子计算开辟了新范式，其中权重阵列可以以 GHz 级的快速速度进行易失性重新训练，并以高精度进行非易失性存储。我们还强调了 PZT 光学忆阻器的可扩展性，可用于开发具有多个元件的 PIC，包括忆阻光开关矩阵和自适应忆阻腔。晶圆级溶胶-凝胶制造工艺确保了 CMOS 兼容性和可扩展性，同时保持了较低的传播损耗，使其成为大规模片上光子集成的理想选择。PZT 光学忆阻器的这些无与伦比的功能非常令人兴奋，它显著降低了能耗，大大提高了处理速度，并显示出克服冯·诺依曼瓶颈的巨大潜力，将 PZT 光学忆阻器定位为集成光子学新范式的变革性战略。展望未来，我们期待进一步整合高速节能光互连、微波光子学、光学相控阵激光雷达、量子计算、光学神经网络、内存计算和类脑架构等功能。

作者：Chenlei Li1+, Hongyan Yu2+, Tao Shu1+, Yueyang Zhang1, Chengfeng Wen1, Hengzhen Cao1, Jin Xie1,

Hanwen Li1, Zixu Xu1, Gong Zhang1, Zejie Yu1, Huan Li1, Liu Liu1, Yaocheng Shi1, Feng Qiu2*,

Daoxin Dai1,3*

单位：

1

State Key Laboratory for Extreme Photonics and Instrumentation, College of Optical Science and  Engineering, International Research Center for Advanced Photonics, Zhejiang University, Zijingang  Campus, Hangzhou 310058, China

2 

Hangzhou Institute for Advanced Study, University of Chinese Academy of Sciences, Hangzhou  

310024, Zhejiang Province, China

3 

Intelligent Optics and Photonics Research Center, Jiaxing Research Institute, Zhejiang University,  Jiaxing 314000, China