可編程光子集成電路（PICs）通過動態(tài)調(diào)控單元結(jié)構(gòu)狀態(tài)實現(xiàn)對光傳輸路徑的精確操控，這一特性使其能夠通過軟件定義方式智能化地調(diào)控光信號傳輸方向，從而支持實時模擬信號處理。這種獨特優(yōu)勢使其在波長路由、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及微波光子學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。隨著應(yīng)用場景日趨復(fù)雜多樣，可編程PICs向大規(guī)模集成發(fā)展，但也面臨一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：如何實現(xiàn)數(shù)百至數(shù)千個控制單元的全局最優(yōu)配置，以滿足多功能信號處理的需求。傳統(tǒng)優(yōu)化算法（如Dijkstra算法、遺傳算法等）由于計算復(fù)雜度呈指數(shù)級增長，往往難以有效收斂。因此，開發(fā)與PICs結(jié)構(gòu)特性相匹配的智能計算模型十分必要，這類模型能夠顯著提升系統(tǒng)重構(gòu)能力，從而加速大規(guī)?？删幊蘌ICs的實用化進程。

近日，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所光電子材料與器件全國重點實驗室李明研究員、祝寧華院士團隊提出了一種新型的伊辛智能計算驅(qū)動光子集成電路重構(gòu)方案，在人工智能助力光電子芯片實現(xiàn)智能可編程研究中取得突破。該方案充分利用伊辛模型的高效優(yōu)化能力，實現(xiàn)了可編程光子集成電路的毫秒級動態(tài)重構(gòu)。研究人員將光子單元器件的傳輸矩陣映射為伊辛自旋態(tài)，構(gòu)建了可編程PICs的完整伊辛模型（圖1）。實驗結(jié)果表明，該方案成功將56×56大規(guī)?？删幊蘌ICs（包含2000余個單元器件）的重構(gòu)優(yōu)化時間縮短至30毫秒，并通過全光路由交換和光電神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能驗證，證實了該方法的實用性和可靠性。

該研究成果以“Scalable and rapid programmable photonic integrated circuits empowered by Ising-model intelligent computation”為題，以封面文章形式發(fā)表于《光子學(xué)研究》（Photonics Research）。半導(dǎo)體所博士生楊夢涵為論文第一作者，半導(dǎo)體所石暖暖副研究員和李明研究員為論文共同通訊作者。

該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項目（62135014,62235011）、北京市自然科學(xué)基金（Z210005）、中國科學(xué)院國際伙伴計劃（100GJHZ2022028GC）和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會（2022111）項目的資助和支持。

圖1：可編程PICs等效伊辛模型。（a）可編程PICs結(jié)構(gòu)示意圖；（b）單元結(jié)構(gòu)MZI的等效伊辛模型；（c）伊辛智能計算求解過程。

圖2：該期《光子學(xué)研究》封面

論文鏈接：https://doi.org/10.1364/PRJ.554170

（來源：中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所）