Ученые из ИТМО и Пекинского университета создали компактный энергоэффективный элемент оптической памяти. Он представляет собой микроскопическую оптическую «ловушку» для света в кремниевой фотонной структуре. По сравнению с аналогами, разработанный элемент крайне энергоэффективен и потребляет около 200 микроватт. При этом чип способен переключаться между несколькими оптическими состояниями, что важно для быстрой обработки информации с помощью света. В перспективе технология может стать основой для сверхбыстрой и энергоэффективной оптической памяти, а также оптических процессоров для искусственного интеллекта. Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.

^{Оптическая память на кремниевом чипе: микрорезонатор переключается между тремя устойчивыми состояниями света, которые можно использовать для хранения информации. Изображение предоставлено авторами статьи}

Одна из больших задач современной фотоники — научиться обрабатывать и хранить информацию непосредственно с помощью света, без постоянного преобразования оптического сигнала в электрический и обратно. Это важно для создания будущих оптических компьютеров, систем связи, искусственного интеллекта и оптических нейроморфных вычислений.

Для таких систем нужны очень маленькие и энергоэффективные оптические элементы, которые могут работать не только 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. Именно такие состояния можно использовать для хранения и обработки информации с помощью света. Переключение между ними происходит с помощью светового импульса, однако «заставить» свет влиять сам на себя и переключать состояние устройства не так просто — часто для этого нужны большие и мощные лазеры, потребляющие много энергии. При этом для задач интегральной фотоники принципиально важно уменьшить энергию, требуемую для переключения состояния памяти: чем меньше энергии требуется, тем проще разместить большое количество таких элементов на чипе.

Ученые из ИТМО и Пекинского университета смогли решить эту проблему и создали микроскопическую оптическую «ловушку» для света на кремниевом чипе. Для этого физики разработали особую конструкцию чипа, которая позволяет совместить компактность, энергоэффективность и высокую добротность — показатель того, насколько эффективно устройство удерживает свет внутри себя.

Главная идея физиков заключалась в том, чтобы разместить внутри одной компактной структуры не один, а два близких по частоте оптических резонанса и настроить связь между ними через общий канал излучения. Резонансы помогают свету «задерживаться» внутри микроструктуры и усиливают его взаимодействие с материалом. За счет этого авторам удалось добиться высокой добротности порядка миллиона, при которой даже очень малая входная мощность приводит к сильному нелинейному оптическому отклику и позволяет удерживать свет в трех состояниях.

Ученые проверили свой подход на практике и изготовили экспериментальные образцы оптической памяти. Размер элемента составляет менее 20 микрометров, что намного тоньше толщины человеческого волоса. Структура использует чрезвычайно мало энергии — потребляемая мощность разработанного элемента не превышает одну тысячную ватта. Фактически исследователи разработали прототип оптической оперативной памяти. Они показали, что световые импульсы переключают систему между тремя состояниями, каждое из которых сохраняется до следующего переключения.

Эта работа приближает ученых к созданию более компактных и энергоэффективных элементов для будущих оптических вычислительных систем.

«Пока мы представили работающий экспериментальный образец, а не готовое коммерческое устройство. Мы показали принцип работы оптической памяти, изготовили реальные образцы и экспериментально подтвердили, что компактная кремниевая структура может работать как многоуровневая ячейка памяти, в которой информация хранится в нескольких устойчивых состояниях оптического отклика. На практике разработанный метод уже можно использовать как платформу для изучения многоуровневого оптического переключения, оптической памяти и других нелинейных фотонных элементов. Для создания прикладных устройств предстоит решить задачи масштабирования, интеграции с другими элементами фотонных схем, повышения скорости и надежности работы в более сложных архитектурах. Исследование развивается в рамках фокусировки ИТМО на интегральную фотонику», — рассказал один из авторов исследования, сотрудник Международного научно-исследовательского центра нанофотоники и метаматериалов ИТМО Андрей Богданов.

В дальнейшем исследователи планируют перейти от единичных элементов к массивам таких микрорезонаторов, чтобы создавать более сложные фотонные схемы: логические элементы, матрицы памяти и нейроморфные фотонные процессоры. Также ученые хотят увеличить число устойчивых состояний системы для создания более сложных многоуровневых оптических элементов, усовершенствовать структуру для ускорения работы и исследовать, как такие микрорезонаторы можно интегрировать в реальные фотонные платформы — с волноводами, источниками света, детекторами и управляющей электроникой.

Исследование поддержано программой «Приоритет 2030».