HPE發明首臺憶阻器雷射器

2021-01-10 DOIT

文章轉自IEEE官方微信號

Image: Hewlett Packard Labs

A cross section of the hybrid silicon MOS microring laser with memristor properties.

近日，惠普實驗室（Hewlett-Packard Labs）的研究人員光子學研究小組的技術突破顯示，他們發明了一種新型的憶阻器雷射器。這是一種雷射，它的波長可以通過電子方式移動，而且獨特的是，憶阻器是將存儲器存儲為電阻值的器件。施加電壓會改變電阻，即使關閉設備電源，該值也會保持不變。在IEEE International Electron Device會議上，研究人員提出，除了簡化處理器間數據傳輸的光子收發器外，新設備還可以形成超高效的腦激勵光子電路的組件。

不同顏色的光可以同時通過光纖和其他波導，因此可以調整波長的光子收發器將導致計算機和最終處理器之間的更高帶寬連接。半導體雷射器發光的波長可以通過加熱器件或通過器件結構中特定種類的電荷積累而改變。然而，這兩種現象都需要能量。

Illustration: Hewlett Packard Labs

另外，憶阻器是將存儲器存儲為電阻的裝置。正確的電壓信號可以改變電阻，即使電源關閉，電阻也會保持不變。

HPE實驗室的研究員Bassem Tossoun想知道是否能製造出一種像憶阻器一樣存儲頻率的雷射器。事實證明，這不僅是可能的，而且HPE在不知不覺中已經構建了這樣一個設備。Tossoun開始探索的時候，他只是嘗試在他的同事、資深研究科學家Di Liang開發的兩種設備上進行實驗，這兩種設備被稱為混合矽MOS微環調製器和混合矽MOS微環雷射器。

兩者都是多層結構，基本上由同心環組成，同心環形成一個半導體雷射器，其中嵌入一個氧化物基電容器。通過控制電容器上的電壓，不同數量的電荷在那裡積累。這改變了設備的光學模式指數，即當相位光沿波導傳播時，會經歷多少延遲，從而改變發射光的波長。

「如果我們施加足夠的電壓偏置，（微環器件）能像記憶器件一樣切換嗎？Tossoun問道，而回答是肯定的，「實際上，我們一直在製造這些憶阻器，但之前並不知道。」

弄清楚它為什麼起作用需要更多的努力。憶阻器通常是兩個金屬電極，中間夾著一小塊絕緣體，如氧化鈦。在自然狀態下，通過絕緣體的電阻很高。但有了足夠的電壓，絕緣體中的氧原子就會電離，遷移到電極上，留下導電絲，降低電阻。這是一個可逆的過程，當然，轉換電壓會驅動離子回到原來的位置，並消除傳導路徑。

Image: Hewlett Packard Labs

實驗和模擬顯示，當器件處於低電阻狀態時，它會加熱，延長（紅移）輸出光的波長。當它處於高電阻狀態時，電荷載流子會聚集在縮短（藍移）器件波長的氧化物周圍。（我們已經知道，在關閉狀態下進一步提高電壓可以進一步將微環雷射器推向藍色，使波長偏移是其他方法的10億分之一。）在Tossoun使用的設備中，這種切換發生在75納秒左右，但只發生在1納米左右的波長上。

現在確定憶阻器雷射器將扮演什麼角色還為時過早，Tossoun表示，該小組正在探索用它們設計神經形態的光學電路。「從長遠來看，對於我們的宏偉前景來說，現在已經有了構建一個集成內存、計算和高速光互連的系統的基石 — 這是我們第一次將所有這些集成在同一個晶片上，」Liang說。因此，憶阻器雷射組件開闢了一個新領域，將我們的能力從光學通信擴展到光學和神經形態計算以及其他領域。

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