非互易＋非易失磁光材料异质集成实现高性能光子存内计算

UCSB和东京工业大学的团队在NP上报道了利用非互易磁光效应材料与集成光波导器件的异质集成，实现高速（1GHz）、高效（143fJ/bit）、高可靠性（24亿次循环）的光子存内计算架构。

磁光材料其实就是应用在空间光隔离器里边的Ce:YIG材料，利用法拉第旋光效应，产生一个与传播方向相关的非互易磁光相移。磁光相移的大小跟磁场强度相关。大家也都知道磁铁是可以充磁消磁的，所以可以把材料CoFeB薄膜也集成到芯片上，这样就可以通过加电流控制磁场强度实现磁光相移强度的控制了（多比特操作）。把电流断开以后也不会掉磁，就可以实现了非易失的状态存储。磁存储是广泛应用在磁带、硬盘里边的，其中一个大的优点就是可擦写次数很高，可靠性强。

国际上有两个比较厉害的团队在做磁光材料和集成光的异质集成，将非互易特性引入到芯片上去。一个是本文的东京工业大学的团队，一个是电子科技大学的毕老师团队，技术路线稍有不同（bonding vs deposition）。实现片上隔离器还是很困难的，需要依赖特定模式（而且还是TM模）、特定结构（多光子干涉结构）才能实现，工作带宽不大、偏振相关、插损不低（＞1.5dB，O波段还更高），离产业化还有挺大gap。但是不纠结隔离器，利用非互易、非易失特性搞点其他应用倒挺好。

比如这篇NP，就是利用前面提到的原理，结合微环的双向非互易传输的特性，实现了一个光计算架构上的创新。在磁场作用的情况下，一个方向传输的光信号谐振波长发生蓝移，另一个方向则产生相等偏移量的红移（不考虑热效应的话）。双向移动的相移的效率自然比传统互易型的相移要更好了。

速率的话他们测下来可以达到1Gbps，在非易失材料里边算是很快的了，实现实现快速的权重迭代。而且这种电流型驱动的功耗也低。寿命测试的话也没啥意外的，毕竟磁存储的寿命摆在那了。所以综合下来，他的非易失特性速度比mems快，可靠性比pcm强，功耗也低。缺点的话其实还是在于损耗有1.8dB，大规模用的时候也不好。其他的潜在问题可能就在于一些工程上的，比如怎么避免外界或通道间电磁干扰和串扰（文章都是单通道器件测试结果），温度对磁场的影响等等。

磁和集成光的结合领域，研究的人不是很多，所以可能还有挺多可以去探索的地方，比如电磁型的波导mems、磁光材料跟双折射波导（铌酸锂等）的结合、非互易特性与非线性的结合等。当然，传统的隔离器方向也会继续通过材料的优化和结构上的创新持续演进。