近日，上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）张永研究员、苏翼凯教授团队联合兰州大学田永辉教授团队、中国科学院大学杭州高等研究院邱枫教授团队，在薄膜压电锆钛酸铅（PZT）电光调制技术与光子计算芯片领域取得重要技术突破。科研团队成功研发出带宽超100GHz的高性能薄膜PZT电光调制器，并依托薄膜PZT独特的非易失特性，创新研制出可重构光子计算芯片，算力密度达266 TOPS/mm²，为人工智能、高速光计算领域的高效能硬件迭代提供了新的解决方案。该成果以“Ultrafast reconfigurable topological-modulators-based photonic processing accelerator”为题发表在《Nature Communications》（自然-通讯）期刊上。

研究背景

人工智能技术的迅猛发展正推动自动驾驶、工业互联网、医疗诊断等领域的深刻变革，这对计算硬件的处理速度、能效和并行扩展能力提出了前所未有的要求。然而，传统基于冯·诺依曼架构的数字处理器正面临根本性瓶颈：互连电阻电容延迟和焦耳热效应导致功耗随频率超线性增长，性能扩展已逼近物理极限。光子计算凭借太赫兹级带宽、天然的多维并行能力（波长、偏振、模式等自由度）和超低延迟优势，被视为后摩尔时代最具潜力的变革性计算范式。近年来，光子计算在速度和能效方面已取得瞩目突破，但该领域仍面临三大核心挑战：1算力密度受限：现有片上衍射光学神经网络虽能实现超100 TOPS吞吐量，但权重固定、不可重构；而马赫-曾德尔干涉仪网格或微环阵列等可重构方案依赖物理通道扩展而非器件创新，芯片面积急剧增大，算力密度普遍低于2 TOPS/mm²；2重构速度慢：主流硅基/氮化硅方案依赖热光效应进行权重调谐，响应速度为微秒级，无法满足动态输入输出维度适配的需求，严重制约了实时计算任务的执行；3静态功耗高：热光加热器和载流子调制方案的功耗高达毫瓦级，这与光子计算追求高能效的初衷背道而驰，严重限制了大规模集成和实际部署。新兴材料平台虽被寄予厚望，但各有短板：薄膜铌酸锂电光系数较低、需要厘米级调制臂，算力密度较低；相变材料虽具备非易失性和零静态功耗，但状态切换速度慢、光学损耗大且多级调控精度不足。因此，如何在同一芯片上同时实现高算力密度、快速动态重构和超低功耗，是光子计算领域亟待攻克的关键科学问题。

研究内容

图1 集成非易失性拓扑调制器光子计算（NTPC）芯片的概念图：（a）传统点积运算架构（i）（ii）与NTPC架构（iii）的对比示意图；（b）PZT中铁电畴的示意图，以及有效折射率变化δn与极化电场强度之间的关系；（c）计算单元执行两种独立运算：1）对编码于TPC₁上的图像与编码于TPC₂上的卷积核进行光学卷积运算，2）通过将热源加载于TPC₁、拉普拉斯算子配置于TPC₂上进行热传导仿真；（d）16通道并行处理的NTPC芯片架构示意图；（e）本工作与现有主流平台及架构在向量乘积维度和算力密度方面的性能对比

针对上述三大核心挑战，研究团队创新性地采用锆钛酸铅（PZT）铁电薄膜作为核心光电材料，其电光系数高达~100 pm/V，是传统薄膜铌酸锂的三倍以上。如图1所示，团队引入拓扑光子晶体微腔设计，利用一维Su-Schrieffer-Heeger模型的拓扑界面态，将光场极致束缚于亚波长尺度，显著增强了光与电场的相互作用，从而在超紧凑尺寸下实现高效电光调制。芯片采用4波长×4空间通道的16通道并行架构，集成20个拓扑调制器。每个计算单元由前后两级调制器串联构成：前端调制器负责输入数据的高速动态编码，后端调制器执行实时权重更新。通过波分复用与空分复用的有机结合，形成了密集的乘法-累加运算阵列。

图2 NTPC芯片的制备与表征：（a）含有NTPC的4英寸SiN加载PZT晶圆；（b）NTPC芯片的显微镜图像；（c）SiN加载PZT波导截面的SEM图像；（d）拓扑调制器的SEM图像；（e）不同周期拓扑光子晶体微腔的透射谱；（f-i）不同周期拓扑调制器的实测S₂₁响应

研究团队在4英寸PZT-SiN晶圆上完成芯片单片集成制备，验证了大规模制备能力（图2）。拓扑微腔品质因数达9000，消光比为24 dB，通过调节晶格周期实现了1534 nm、1545 nm、1555 nm、1566 nm四个波长通道的精准分布。四个波长调制器均一致实现超过100 GHz的电光调制带宽，为迄今报道的PZT电光调制器最高值。

图3 NTPC的非易失性光路重构：（a）测量流程示意图；（b）不同外加电压下的透射光谱；（c）23种不同电压条件下的波长调谐统计；（d）六种非易失状态及对应的外加电压幅值；（e）10次擦写循环中六种非易失状态的稳定性测试；（f）7500次周期性脉冲循环后器件的时域调制响应；（g）初始随机制造偏差下Path1、Path2和Path3的透射光谱；（h）Path3透射光谱随外加电压的非易失性变化；（i）非易失性对准后Path3透射光谱在25小时内的稳定性表征

传统芯片通过热光效应实现波长对准，单个微加热器功耗超过10 mW，且随芯片规模扩大热串扰问题日益严重。如图3所示，为解决这一瓶颈，研究团队利用PZT铁电薄膜的非易失特性，在9 V至32 V电压扫描范围内实现23个可调非易失状态和6级稳定阻变存储操作，10次擦写循环中波长变化小于50 pm。7500次脉冲循环测试证实了优异的耐久性。通过施加25 V偏压使TPC₁红移1.7 nm，实现与TPC₂光谱对齐，消光比达22 dB，25小时连续监测波长漂移小于50 pm。单次调谐能耗仅0.05 nW，较热光方案降低八个数量级。

图4 NTPC在图像处理和数字分类任务中的应用：（a）NTPC用于图像处理任务的示意图；（b）3×3卷积核的仿真与实验结果；（c）手写数字识别系统的卷积神经网络框架；（d）MNIST数字图像经3×3卷积核处理后的理想与实验输出波形；（e）80个训练周期的准确率与交叉熵损失演化；（f）理论混淆矩阵与（g）实验混淆矩阵

如图4所示，NTPC以60 GBaud速度执行光学卷积运算，成功实现图像恒等、锐化和边缘提取，实验结果与理论高度吻合。在MNIST手写数字识别中，单张图像处理仅需13.08 ns，理论吞吐量达7650万图像/秒。80个训练周期后实验测试准确率达95.64%，逼近软件理论值96.46%，0.82%的差异归因于系统噪声和器件非理想因素。

图5 NTPC求解时变偏微分方程-热传导方程：（a）热传导方程处理流程示意图；（b）36×36网格拉普拉斯算子系数矩阵；（c）热源矩阵与离散拉普拉斯算子点积的信号波形；（d）仿真与（e）实验的初始热场分布；（f）仿真与（g）实验在0.75 s、2 s和3.5 s时刻的热场分布；（h）格点（5,5）处热场的动态变化；（i）0至5 s时域内的求解精度，始终保持在94.5%以上

芯片通过灵活调整输入/输出矩阵维度，有效解决了高分辨率离散化带来的器件数量指数增长难题。如图5所示，在36×36网格热传导仿真中，热源偏离中心时0.75 s、2 s和3.5 s时刻的热场分布均与仿真高度一致。格点温度演化曲线实验与仿真吻合良好，5秒计算精度始终保持在94.5%以上。

图6 可重构NTPC用于密集波分复用系统：（a）NTPC架构重构成的DWDM系统示意图；（b-e）100 GHz（0.8 nm）均匀信道间隔的非易失性透射光谱重构；（f）16个拓扑调制器在130 Gbps速率下OOK信号的眼图

如图6所示，研究团队利用非易失性特性，将芯片动态重构成DWDM光互连接口，16个拓扑调制器以100 GHz信道间隔工作，每通道速率130 Gbps，总带宽2.08 Tbps，带宽线密度达9.24 Tbps/mm，远超Ayar Labs（0.36 Tbps/mm）和Intel（0.46 Tbps/mm）等商用方案。

论文作者信息

上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）周文丰博士、王鑫博士、张洵博士为共同第一作者，兰州大学田永辉教授、上海交通大学集成电路学院苏翼凯教授和张永研究员为论文共同通讯作者。本项目获得国家自然科学基金和上海市科委项目资助。此外，该工作也得到了上海交通大学光子传输与通信全国重点实验室和上海交通大学先进电子材料与器件平台（AEMD）的支持。

张永，上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）研究员、博士生导师，博士研究生学历，上海交通大学先进电子材料与器件（AEMD）校级平台副主任。国家级高层次青年人才，入选上海科技青年35人引领计划，全球前2%顶尖科学家，国家自然科学基金委重点项目负责人，获中国电子学会技术发明二等奖（排第一）、Wiley威立中国高贡献作者奖、中国光学工程学会西部科技创新成果展“优秀成果”奖。从事微纳加工与光电子芯片研究，在Nature Communications，Light Science & Applications等光电子领域重要期刊和会议发表论文60余篇，其中第一/通讯作者SCI论文30篇，ESI高被引论文2篇，封面论文5篇，邀请/综述论文5篇；作会议特邀报告20余次；授权美国发明专利1件，中国发明专利6件；编写英文专著和中文著作章节；成果应用于中兴光电子等25家单位的光芯片研发中。

苏翼凯教授领导的光传输与集成光子学实验室(OTIP)立足光电子研究领域的前沿，主要研究高速光通信系统与各类集成器件，重点研究应用于传输及交换领域的硅基及异质集成光电子芯片。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-75993-8