2025年第7期On the Cover：
可编程光子集成电路（PICs）通过动态调控单元结构状态实现对光传输路径的精确操控，这一特性使其能够通过软件定义方式智能化地调控光信号传输方向，从而支持实时模拟信号处理。这种独特优势使其在波长路由、光学神经网络及微波光子学等领域展现出广阔的应用前景。随着应用场景日趋复杂多样，可编程PICs向大规模集成发展已成为必然趋势，这也使其面临一个关键挑战：如何实现数百至数千个控制单元的全局最优配置，以满足多功能信号处理的需求。传统优化算法（如Dijkstra算法、遗传算法等）由于计算复杂度呈指数级增长，往往难以有效收敛。因此，开发与PICs结构特性相匹配的智能计算模型势在必行，这类模型能够显著提升系统重构能力，从而加速大规模可编程PICs的实用化进程。
为此，中国科学院『半导体』研究所李明研究员、祝宁华院士团队在人工智能助力光电子『芯片』实现智能可编程研究中实现突破。研究团队提出了一种新型的伊辛智能计算驱动光子集成电路重构方案，该方案充分利用伊辛模型的高效优化能力，实现了可编程光子集成电路的毫秒级动态重构。研究人员将光子单元器件的传输矩阵映射为伊辛自旋态，构建了可编程PICs的完整伊辛模型。实验结果表明，该方案成功将56×56大规模可编程PICs（包含2000余个单元器件）的重构优化时间缩短至30毫秒，并通过全光路由交换和光电神经网络的功能验证，证实了该方法的实用性和可靠性。这项突破性工作以""为题，发表在光学领域重要期刊2025年第7期，被主编选为封面文章。
图1展示了可编程PICs的等效伊辛模型构建原理。图1（a）为可编程PICs概念图，其核心调节单元采用马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构，通过精确调控MZI的状态参数即可实现光传输路径的动态编程。图1（b）创新性地提出了单元结构的伊辛模型等效方法：将每个MZI单元可实现的物理状态映射为四个伊辛自旋的组合，从而建立起整个光子集成电路与伊辛模型的对应关系。基于该模型，采用图1（c）所示的伊辛智能求解算法，最终获得可编程PICs的优化重构的最佳配置方案。
图1 可编程PICs等效伊辛模型。（a）可编程PICs结构示意图；（b）单元结构MZI的等效伊辛模型；（c）伊辛智能计算求解过程
图2展示了可编程PICs测试与伊辛优化结果。图2（a）-（b）展示『芯片』实物、封装结构及单元性能测试结果，证实所设计的MZI单元可实现bar/cross双态切换，满足伊辛自旋等效的基本要求。图2（e）系统呈现基于伊辛模型的优化求解完整流程。图2（f）-（g）分别给出迭代过程中的最低伊辛能量分布及演化曲线，当能量收敛至全局最小值时，即获得最优『芯片』重构方案。图2（h）-（i）对比展示优化前后的输出光场分布，实验验证了伊辛智能计算所得重构方案可有效实现模拟信号处理功能。
图2 可编程光『芯片』和伊辛智能计算过程。（a）可编程光子集成『芯片』显微镜🔬图像；（b）封装后的可编程光子集成『芯片』；（c）级联DC的测试结果；（d）MZI单元结构的传输特性；（e）伊辛智能计算流程图；（f）25次迭代计算的最小能量合集；（g）第七次迭代计算的伊辛能量演化过程及计算结果；（h）随机路径模拟信号处理测试结果；（i）重构后，选择性路径模拟信号处理测试结果
在成功验证伊辛智能计算方法的有效性后，研究团队进一步探索了该方法在光学模拟信号处理中的实际应用，重点设计了光路由和光计算两类典型应用场景。在光路由实验中，采用图3（a）所示的实验架构，基于伊辛智能计算对可编程PICs进行优化重构。实验采用光通信中常用的NRZ和PAM-4调制信号作为测试信号，经优化重构后的可编程PICs可实现信号的高效路由传输。图3（c）-（d）对比展示了信号经过可编程PICs路由处理前后的眼图测试结果，实验数据表明：在确保多路径功率均衡的前提下，该可编程PICs可在波分复用网络中实现信号的透明传输和无阻塞波长路由功能。
图3 可编程光子集成『芯片』在光路由场景下的模拟信号处理：（a）实验架构；（b）优化路径的输出光谱；（c）10GbaudNRZ路由前后眼图结果；（d）10GbaudPAM-4路由前后眼图结果
为系统评估伊辛智能计算在可编程PICs中的技术优势，本研究对当前主流重构算法的运算性能进行了对比分析。如表1数据所示，基于CPU等传统计算架构的优化算法（如遗传算法、Dijkstra算法等）其重构时间普遍在秒级至分钟量级，而伊辛智能计算通过结合微波光子伊辛机（MPIM）这样的新型计算架构，成功将优化时间缩短至毫秒量级，实现了计算效率的质的飞跃。特别值得关注的是，在模拟当前光子集成工艺极限的56×56规模系统（含2,000个MZI单元）时，传统GPU加速方案（NVIDIA A100）的预估计算时间高达1,000小时（3.60×10⁶秒），严重限制了系统的实用化进程。而采用MPIM硬件加速的伊辛智能计算方法，仅需30毫秒即可完成同等规模的重构优化，较GPU方案提升了近8个数量级，这一突破性进展为大规模可编程PICs的实际应用扫清了关键障碍。需要指出的是，为应对可编程PICs复杂多变的重构需求而采用的多比特伊辛自旋表征方法，对MPIM的光缓存容量提出了新的挑战，这将是未来研究需要重点突破的方向。
表1求解算法性能对比
“可编程光子集成电路凭借其功能可重构性和操作灵活性，在集成光子学与模拟信号处理领域展现出革命性的应用前景。然而，随着应用需求的日益复杂化，如何实现含上千个调控单元的大规模可编程PICs快速优化重构已成为制约领域发展的关键瓶颈，”中国科学院『半导体』研究所李明研究员表示，“本研究提出的伊辛智能计算光子『芯片』创新性地建立了MZI单元物理行为与伊辛自旋的映射关系，通过将整个可编程PICs系统等效为伊辛模型，实现了光传输路径的智能化优化重构。实验证实，该方案不仅在光路由和光学神经网络等场景中表现出卓越性能，更将含2000余个MZI单元的大规模可编程PICs重构时间提升至毫秒量级。这一突破性进展，不仅显著提升了可编程PICs的可重构性、运算速度和智能化水平，更为光子技术在光通信、光子计算、激光雷达、量子传感和密码学等战略领域的应用开辟了全新范式，对推动下一代光子信息技术发展具有里程碑意义。”
主要作者简介
杨梦涵，中国科学院『半导体』研究所博士。2025年于中国科学院『半导体』研究所获得工学博士学位，从事硅基光互连技术研究，主要包括硅基光收发技术、可编程光子集成『芯片』等。作为第一作者在发表期刊论文1篇。
石暖暖，中国科学院『半导体』研究所青年研究员，2023年获得北京市科技新星计划“创新新星”、2022年获得中国科学院“青年创新促进会”会员。从事光电智能计算、光电子集成、微波光子学等技术领域研究，发表SCI论文30余篇，包括第一/通讯作者发表Nature Communications、Light: Science & Applications、，1篇入选ESI高被引论文，研究成果入选“中国光学十大进展（应用研究类）”、2023年度“中国『半导体』研究十大进展”。
李明，中国科学院『半导体』研究所研究员，国家高层次青年人才引进计划入选者、自然科学基金优青青年项目、杰出青年项目等资助。围绕国家重大需求，在光电振荡器、光电智能计算、光电集成等领域取得了一系列原创性的研究成果。近5年主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划项目等30余项，发表期刊论文210余篇，其中发表Nature子刊11篇（1篇Nature Photonics，7篇Nature Communications，3篇Light: Science & Applications）。获得第二十届王大珩光学奖，中国光学工程学会科学技术奖一等奖2项、中国通信学会科学技术一等奖1项和二等奖1项。
