Data transport across short electrical wires is limited by both bandwidth and power density, which creates a performance bottleneck for semiconductor microchips in modern computer systems--from mobile phones to large-scale data centres. These limitations can be overcome by using optical communications based on chip-scale electronic-photonic systems enabled by silicon-based nanophotonic devices. However, combining electronics and photonics on the same chip has proved challenging, owing to microchip manufacturing conflicts between electronics and photonics. Consequently, current electronic-photonic chips are limited to niche manufacturing processes and include only a few optical devices alongside simple circuits. Here we report an electronic-photonic system on a single chip integrating over 70 million transistors and 850 photonic components that work together to provide logic, memory, and interconnect functions. This system is a realization of a microprocessor that uses on-chip photonic devices to directly communicate with other chips using light. To integrate electronics and photonics at the scale of a microprocessor chip, we adopt a 'zero-change' approach to the integration of photonics. Instead of developing a custom process to enable the fabrication of photonics, which would complicate or eliminate the possibility of integration with state-of-the-art transistors at large scale and at high yield, we design optical devices using a standard microelectronics foundry process that is used for modern microprocessors. This demonstration could represent the beginning of an era of chip-scale electronic-photonic systems with the potential to transform computing system architectures, enabling more powerful computers, from network infrastructure to data centres and supercomputers.

Electronic and photonic technologies have transformed our lives-from computing and mobile devices, to information technology and the internet. Our future demands in these fields require innovation in each technology separately, but also depend on our ability to harness their complementary physics through integrated solutions1,2. This goal is hindered by the fact that most silicon nanotechnologies-which enable our processors, computer memory, communications chips and image sensors-rely on bulk silicon substrates, a cost-effective solution with an abundant supply chain, but with substantial limitations for the integration of photonic functions. Here we introduce photonics into bulk silicon complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) chips using a layer of polycrystalline silicon deposited on silicon oxide (glass) islands fabricated alongside transistors. We use this single deposited layer to realize optical waveguides and resonators, high-speed optical modulators and sensitive avalanche photodetectors. We integrated this photonic platform with a 65-nanometre-transistor bulk CMOS process technology inside a 300-millimetre-diameter-wafer microelectronics foundry. We then implemented integrated high-speed optical transceivers in this platform that operate at ten gigabits per second, composed of millions of transistors, and arrayed on a single optical bus for wavelength division multiplexing, to address the demand for high-bandwidth optical interconnects in data centres and high-performance computing3,4. By decoupling the formation of photonic devices from that of transistors, this integration approach can achieve many of the goals of multi-chip solutions 5 , but with the performance, complexity and scalability of 'systems on a chip'1,6-8. As transistors smaller than ten nanometres across become commercially available 9 , and as new nanotechnologies emerge10,11, this approach could provide a way to integrate photonics with state-of-the-art nanoelectronics.

Integrating photonics with advanced electronics leverages transistor performance, process fidelity and package integration, to enable a new class of systems-on-a-chip for a variety of applications ranging from computing and communications to sensing and imaging. Monolithic silicon photonics is a promising solution to meet the energy efficiency, sensitivity, and cost requirements of these applications. In this review paper, we take a comprehensive view of the performance of the silicon-photonic technologies developed to date for photonic interconnect applications. We also present the latest performance and results of our "zero-change" silicon photonics platforms in 45 nm and 32 nm SOI CMOS. The results indicate that the 45 nm and 32 nm processes provide a "sweet-spot" for adding photonic capability and enhancing integrated system applications beyond the Moore-scaling, while being able to offload major communication tasks from more deeply-scaled compute and memory chips without complicated 3D integration approaches.

Phase-change materials (PCMs) have been growing in interest over the last decade for photonic applications. In this article, we will firstly review their properties and their key benefits with respect to concurring technologies for reconfigurable photonic devices and systems. Then, we will highlight some key open challenges PCMs are currently facing for their ubiquitous adoption. Finally, we will provide some potential routes for addressing these challenges with a focus on current activities in the Grenoble (France) region.