一、研究背景：

随着全球范围内数据处理需求的急剧增长，新型光子存储与神经形态计算应用不断发展。传统相变材料如Ge₂Sb₂Te₅（GST）具有高相变速度、非易失性等特性，且在通信波段，其非晶态与晶态之间存在显著光学对比度，为神经形态光子计算芯片的发展提供了一条可行路径。然而，晶态GST的消光系数较高，会导致严重的光损耗，对器件阵列的实际规模化扩展构成严峻挑战。Sb₂Se₃作为低损耗相变材料，在通信波段近乎零吸收且保留稳定折射率差，成为突破瓶颈的关键材料。基于此，本研究采用跨尺度模拟方法，从原子层面揭示Sb₂Se₃的低损耗起源，并设计了一种仅利用材料折射率变化的可编程光模式转换器，为大规模低损耗光子张量计算阵列框架提供全新方案。

二、简要介绍：

近期，西安交通大学材料创新设计中心CAID研究人员采用跨尺度模拟方法，系统揭示了Sb₂Se₃相变材料在通信波段超低损耗的原子起源，并基于此成功设计一种面向光子计算的Sb₂Se₃基可编程模式转换器（PMC）。首先，本工作利用DFT计算阐明了Sb₂Se₃材料晶态及非晶态波长依赖的光学特性的键合起源，揭示其通信波段低损耗特性源于其较大的带隙（~1.3 eV）及因p轨道线性排列断裂而抑制的带间跃迁。通过参数传递，利用FDTD仿真方法设计并优化了基于Sb₂Se₃与绝缘体上硅波导的可编程模式转换器，实现了对入射基模（TE₀）与一阶模（TE₁）的清晰探测。借助数值模拟方法模拟激光直写技术调控非晶–晶相比例的过程，在单个PMC器件中实现32级（5比特）光编程精度，插入损耗仅为−0.65 dB，理论支持光子计算阵列扩展至128×128及以上。数值模拟预测该基于Sb₂Se₃的多模光子张量核心可高效完成大规模图像卷积处理与高精度图像识别任务。

该文章以Low-loss phase-change material-based programmable mode converter for photonic computing为题目，发表于期刊NPG Asia Materials，CAID博士生沈雪阳为本文第一作者，周文教授与张伟教授为通讯作者。

文章连接：https://doi.org/10.1038/s41427-026-00645-8

三、具体内容：

3.1 低损耗相变材料Sb₂Se₃的成键特性与光学性能

首先，本工作通过DFT计算系统解析了Sb₂Se₃晶相与非晶相的原子结构、成键本质，并计算了不同相在电子转移及电子共享分布图中的位置。如图1所示，非晶态Sb₂Se₃中存在大量三配位的缺陷八面体构型。晶态为正交相，具有锯齿状类范德华间隙，并伴随着明显的皮尔斯畸变。原子间p轨道仅部分对齐，以共价键为主，不体现传统GST中的金属共价键（MVB）特性。作为对比，团队还构建了菱方相、单斜相等假想晶相。在菱方相中，原子间p轨道线性程度增加，范德华层间的电子共享程度升高。对菱方相结构施加单轴应变可增强轨道对齐，使材料向MVB区域偏移。

图1. Sb₂Se₃的结构与键合特性

如图2a所示，晶态与正交晶态 Sb₂Se₃的带隙均约为 1.3 eV。图2b显示，不同相的介电函数虚部最高值随着轨道对齐程度的降低而降低，伴随着光吸收的显著下降。图2c中利用HSE06杂化泛函计算得到的Sb₂Se₃两相间折射率与消光系数与实验值非常接近。在可见光波段（400–800 nm），Sb₂Se₃仍保留适度的光吸收，可通过可见光波段的激光直写引发的光热效应触发晶态与非晶态之间的可逆相变，满足器件编程需求。同时，晶态与非晶态Sb₂Se₃之间在1550 nm的通信波段存在稳定的折射率差，可仅依靠折射率差异实现多级光学态编码，无需依赖传统GST材料的光吸收对比。进一步分析得知，在通信波段，Sb₂Se₃不存在带间跃迁，联合态密度与跃迁偶极矩均趋近于零，使得消光系数几乎为零，从物理根源上实现近零光损耗，显著优于传统 GST 材料。综上，Sb₂Se₃凭借可见光区域适度光吸收、通信波段无吸收的独特优势，兼具超低光损耗与可靠相变能力，是突破传统 GST光损耗瓶颈、支撑大规模光子计算阵列的重要相变材料。

图2. 基于 HSE06杂化泛函计算的Sb₂Se₃电子结构与光学性能

3.2 Sb₂Se₃基可编程模式转换器（PMC）的设计

图3系统展示了Sb₂Se₃基PMC的三维结构、多级编程方案与关键输出性能。器件以绝缘体上硅波导为波导平台，在波导上集成Sb₂Se₃相变薄膜与SiO₂保护层，搭配非对称定向耦合器，实现基模TE₀与一阶模TE₁的可控转换与分端口输出。通过优化波导宽度、高度、刻蚀深度与Sb₂Se₃薄膜沉积斜槽形貌，使得Sb₂Se₃处于晶态时，满足相位匹配条件，可将TE₀高效转为TE₁；非晶态则几乎不发生模式转换，从而实现“开关式”编程。进一步，将Sb₂Se₃功能层精细划分为32个独立可编程单元，通过可见光波段激光直写技术，可对每一单元单独实现晶态非晶态的局部相变。模拟逐段调控晶相/非晶相比例的过程，即可在单器件上产生32级单调变化、连续可调的光学对比度多值（5比特精度）。该模式对比度覆盖接近完整的[−1，1]区间，使PMC可直接作为光子张量核中的可编程权重核心单元。

图3. 可编程模式转换器（PMC）器件及其性能

3.3 PMC阵列的可扩展性

对光子计算实际应用而言，构建大规模集成阵列是实现高性能矩阵运算的关键。本工作系统评估了PMC阵列的可扩展性，并与传统GST交叉阵列进行对比，如图4所示。单模光子交叉阵列通常以GST相变单元为核心，执行矩阵向量乘法运算。输入向量X₁~X_m以不同波长的光功率编码，矩阵权重由GST单元的晶态/非晶态分布决定，输出向量Y₁~Y_m则由输入光与单元吸收率的点积得到。然而，晶态GST在1550 nm 波段极高的消光系数使得光信号穿过阵列时会产生剧烈衰减。FDTD 模拟结果表明，纯晶态GST交叉单元的插入损耗高达约−14.97 dB。在阵列传输中，总损耗随矩阵尺寸m近似线性累积。当光信号可探测阈值设定为−43 dB时，全晶态的GST单模交叉阵列的最大尺寸为26×26左右。另一种多模光子阵列架构采用模式与波分复用技术，通过复用器和解复用器将光信号在不同空间模式与波长上并行编码，大幅提升并行计算能力。本文设计的 PMC阵列正是基于这一架构，利用Sb₂Se₃的折射率差实现模式转换与权重调控，PMC单元损耗仅为−0.65 dB。预估该采用多模与波分复用的PMC光子张量核阵列理论上可进一步提升至128×128甚至更大规模。

图4. 波导阵列示意图与矩阵尺寸估算

3.4 基于 PMC 阵列的图像卷积处理与识别模拟

如图5所示，本研究利用PMC阵列可实现32级连续可调光学态的优势，实现了卷积图像处理与识别模拟。原始图像的像素值经过强度调制后，被编码到9个独立的波长通道光功率上，通过波分复用技术实现并行传输与处理。输出图像对应于分块矩阵向量乘法操作的时间序列，光子张量核通过对多个模式转换器件输出的非相干光信号进行求和，高效完成乘累加运算，无需复杂的电学求和步骤，大幅提升运算效率。此外，采用平衡光电探测方案，可同时产生正、负两种信号，进一步拓展了PMC阵列在复杂运算任务中的适配能力。本研究分别采用3×3和5×5高斯模糊卷积核对同一图像进行卷积模拟（图5c）。模拟过程中，选取特定的模式对比度作为卷积核权重并进行缩放，处理后图像的均方误差（MSE）结果表明，PMC阵列实现的卷积运算具有较高的精度，能够有效完成图像模糊等基础图像处理任务。此外，开展了基于PMC阵列的卷积神经网络（CNN）对Fashion-MNIST时尚服饰数据集的识别任务模拟（图5d）。模拟结果显示，该CNN框架能够稳定执行图像识别运算，与软件模拟具有接近的识别精度。

图5. 基于PMC阵列的卷积图像处理与卷积神经网络模拟

3.5 对于传统相变材料的对比

最后，本文将低损耗相变材料与传统MVB型相变材料在光子应用方面进行了全面对比，涵盖从基本成键机制到器件结构设计等多个方面，如图6所示。低损耗相变材料（如Sb₂Se₃、Sb₂S₃和GSST合金）的晶体结构相比于传统MVB 型相变材料（如GST）具有更强的扭曲特征，p轨道对齐程度低，晶态表现出类半导体特性，在通信波段消光系数接近0。传统 GST 体系在晶态时表现出较强的MVB特性，在通信波段具有极高的光学吸收，损耗较高。这一成键与电子结构上的根本差异，使得低损耗相变材料可以摆脱传统的“依靠吸收差异实现编程” 的模式，转而采用基于折射率调控的全新光子器件工作机制，且阵列可扩展性得到数量级的提升。

图6. 低损耗相变材料与传统MVB型相变材料的对比

综上所述，本工作系统研究了低损耗材料Sb₂Se₃，通过DFT计算揭示其低损耗物理起源，并设计仅依赖折射率差工作的低损耗PMC 器件，能够实现32级高精度编程与大阵列可扩展性（预计可达128×128），能用于卷积图像处理与识别任务，为低损耗、大规模光子神经形态计算应用提供了新方案。