IEEE SiPhotonics2025|光子锁存器存储器

引言

硅基光电子技术已成为下一代计算系统的重要技术，提供高带宽、低传输损耗和广泛的多路复用能力等优势。虽然光学技术在数据传输和处理方面表现出色，但数据存储仍主要集中在电子领域。本文探讨了一种新型硅基光电子置位-复位锁存器，作为一种易失性光学存储单元，有望提升光计算架构的性能[1]。

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光学存储技术的挑战

随着数据通信和处理需求的增长，研究人员开始探索光学解决方案，将应用范围扩展到数据传输之外。然而，光学存储面临重大障碍，主要是由于缺乏能够实现紧凑且可扩展存储的光学晶体管。

目前的光学处理系统通常依赖电子存储模块，需要在光学-电子和模拟-数字域之间进行信号转换。这种转换，加上读写操作所需的数据移动，增加了能源消耗，增加了处理延迟，并使系统封装变得复杂。这些挑战使大规模实施变得既困难又昂贵。

高速易失性光学存储提供了一种解决方案，允许在光学处理过程中临时存储数据。以前的实现方式包括半导体光放大、光纤环路以及集成系统，如激光器中的III-V材料或光子晶体中的埋入式腔体。尽管取得了令人印象深刻的结果，但由于台式设备的物理尺寸和特殊材料系统的制造成本，大规模部署仍然面临挑战。

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光子锁存器的架构

图1. (a) 使用两个交叉耦合的NOR门的光子锁存器示意图。(b) NOR操作的微环调制器(MRM)初始偏置。(c) NOR门不同输入组合的MRM谐振移位。(d) 光子锁存器在由2×2马赫-曾德干涉仪(MZI)构成的可编程网格上的实现。(e) NOR操作的实验结果。(f) 在真实模拟平台上的光子锁存器模拟结果。

本文介绍的硅基光电子置位-复位锁存器(SR-锁存器)利用了硅基光电子技术高产量和低成本制造的优势。该设计具有光学置位、复位和互补输出，并具有独立的供应光源，从而实现可扩展性。

如图1(a)所示，光学锁存器由两个交叉耦合的通用逻辑门(具体为NOR门)形成。在每个NOR门中，两个波长为λ0的光学输入耦合到微环调制器(MRM) A和B，这两个调制器围绕λ0对称偏置，如图1(b)所示。

在每个MRM之后，光信号的一小部分被分流并耦合到光电探测器(PD)，产生对应于两个臂之间功率差的电流(idiff)。该电流被放大以同时驱动MRM A和B。经过MRM后的光信号通过Y形接头结合，在使用加热器进行相位调整后，生成OR输出(相当于maxpool操作)。

该输出被光电探测并放大，以驱动带有独立供应光的MRM C，实现NOT操作。MRM C最初偏离谐振(高输出)，高OR输出通过将MRM C谐振与λ0对齐而被反转。图1(c)展示了MRM A和B的各种输入组合以及所有MRM中相应的移位，从而实现OR操作。

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在可编程平台上的实现

该锁存器架构在iPronics SmartLight可编程光子平台上实现。由于商用可编程芯片的尺寸有限，只能物理实现一个NOR门。因此，研究人员在实验中演示了NOR操作，并使用供应商提供的真实模拟器验证了锁存器功能。

图1(d)展示了锁存器存储单元在可编程MZI网格上的实现。每个2×2 MZI由两个50/50方向耦合器和两个热相移器组成，每个MZI的臂上各有一个，可以编程为0到1之间的任何分配比例。通过编程分配比例，可以实现电路的各个部分。

该系统有一个光学输入，分为四个信号，提供置位、复位和两个供应光。在图中，置位/复位信号路径以黑色显示，用于交叉耦合的反馈信号以灰色显示，供应光以红色标记。置位和复位信号通过蓝色框中的MZI应用，绿线标记具有多个信号的路径。放大器在控制和编程MZI网格的软件中实现。

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实验结果

研究人员首先在可编程硬件上演示了NOR操作。图1(e)显示了11种不同逻辑输入组合序列的实验结果。尽管输入幅度有任意变化，但仍实现了稳健且准确的输出水平，证明了NOR门实现的可靠性。

为了演示完整光子SR-锁存器的性能，生成并模拟了不同的置位和复位组合。图1(f)显示了锁存器模拟结果，其中置位、复位和锁存(保持)状态分别以蓝色、红色和绿色阴影显示。灰色区域对应于置位和复位都定义为逻辑"1"的情况，这导致Q和Q̅都为逻辑"0"。该可编程光子存储单元成功地准确执行了置位、复位和锁存/保持的所有功能，尽管输入幅度有变化。交叉耦合方案进一步分离了高低状态，提高了性能。

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结论

所展示的硅基光电子SR-锁存器代表了光学存储技术的重要进展。通过利用硅基光电子技术，研究人员创建了一种可扩展的光学存储单元，可以与现有的硅基光电子处理系统在小型占用空间内共同集成，不需要进一步的后处理或笨重的台式设备。

这种方法补充了电子数据存储，可能提高光学处理器的能源效率、处理速度和可扩展性。随着光计算的不断发展，像这种光子锁存器存储器等创新将在实现完全集成的光计算系统方面发挥关键作用。