Кремниевый чип для многоуровневой оптической памяти мощностью 200 мкВт
Потребляемая мощность разработанного элемента не превышает 200 микроватт. Чип способен переключаться между несколькими оптическими состояниями, что важно для быстрой обработки информации с помощью света. В перспективе технология может лечь в основу сверхбыстрой и энергоэффективной оптической памяти, а также оптических процессоров для искусственного интеллекта.
Одна из ключевых проблем современной фотоники — обработка и хранение информации непосредственно светом, без постоянного преобразования оптического сигнала в электрический и обратно. Для будущих оптических компьютеров, систем связи, ИИ и оптических нейроморфных вычислений нужны очень маленькие и энергоэффективные элементы, работающие не в двух режимах «0» и «1», а сразу в нескольких устойчивых состояниях. Например, один и тот же элемент может сохранять низкий, средний или высокий уровень оптического сигнала.
Ключевой момент — сложность управления светом. Переключение между состояниями происходит с помощью светового импульса, однако заставить свет влиять сам на себя непросто: часто для этого требуются большие и мощные лазеры с высоким энергопотреблением. Для интегральной фотоники принципиально важно снизить энергию переключения: чем она меньше, тем проще разместить большое количество элементов на чипе.
Решение, найденное физиками, состоит в особой конструкции чипа, совмещающей компактность, энергоэффективность и высокую добротность — показатель эффективности удержания света внутри устройства. Внутри одной компактной структуры размещены два близких по частоте оптических резонанса, связь между которыми настроена через общий канал излучения. Резонансы помогают свету задерживаться внутри микроструктуры и усиливают его взаимодействие с материалом. За счёт этого удалось достичь добротности порядка миллиона, при которой даже очень малая входная мощность даёт сильный нелинейный оптический отклик и позволяет удерживать свет в трёх состояниях.
Отдельно следует обратить внимание на параметры образцов. Размер элемента составляет менее 20 микрометров, что значительно тоньше человеческого волоса. Фактически исследователи разработали прототип оптической оперативной памяти и показали, что световые импульсы переключают систему между тремя состояниями, каждое из которых сохраняется до следующего переключения.
В дальнейшем исследователи планируют перейти от единичных элементов к массивам микрорезонаторов для создания более сложных фотонных схем: логических элементов, матриц памяти и нейроморфных фотонных процессоров. Также предполагается увеличить число устойчивых состояний, усовершенствовать структуру для ускорения работы и изучить интеграцию микрорезонаторов в реальные фотонные платформы — с волноводами, источниками света, детекторами и управляющей электроникой. Исследование поддержано программой «Приоритет 2030».
По материалам: https://www.rlocman.ru