Nokia Bell Labs：可编程光子锁存器

原文链接：https://doi.org/10.1364/OE.536535

在现代科技领域，电子平台长期以来支撑着计算和通信资源的需求增长，但随着发展，其在吞吐量和能源效率方面的提升愈发困难，例如电传输线的固有损耗使数据传输成本高昂，数字处理器的时钟频率限制了计算吞吐量。而光学技术凭借大带宽、低损耗传输、多种复用方案以及芯片集成和封装的进步，展现出解决这些问题的潜力。不过，光学技术在数据存储方面进展缓慢，目前光学处理器中的数据存储主要依赖电子存储器，这涉及光 - 电、模拟 - 数字转换以及数据在处理器和存储器间的传输，降低了能源效率，增加了处理延迟，还使系统集成和封装变得复杂。因此，开发能直接在光域存储和检索数据的光学随机存取存储器（RAM）至关重要。

◆ 基于通用逻辑门的光子锁存存储单元

该研究提出了一种基于通用光逻辑门（UOLGs）的可扩展集成光子置位 - 复位锁存器（SR latch）作为光学静态存储单元，UOLGs采用NOR和NAND门 。

◆光学NOR和NAND门的架构与原理

光学NOR门的实现基于微环调制器（MRM）的非线性电光响应，其架构如图2（a）所示。两个波长为λ0的光输入A和B分别耦合到MRM A和MRM B，初始时，MRMs的谐振波长对称分布在λ0两侧。每个MRM后会分出一小部分光信号到光电探测器（PD），产生的两个光电流相减，电流差Idiff =IA-IB经限幅放大器1（LA1）放大后驱动MRM A和MRM B。剩余光信号经Y分支结合并，根据输入A和B的逻辑状态，MRM A和MRM B的谐振波长会发生偏移。

当Idiff>0（即A为高电平，B为低电平）时，MRM B的谐振波长与λ0对齐，MRM A失谐，导致B进一步衰减；反之，Idiff<0时，A衰减。

当两个输入均为高电平或低电平时，Y分支输出也相应为高电平或低电平，这就实现了光逻辑OR操作。

为实现NOR功能，需进行逻辑NOT操作，通过带有独立光源（波长为λ0）的MRM C来完成。当OR输出为高电平时，MRM C的谐振波长与λ0对齐，信号发生大幅衰减，输出低电平；OR输出为低电平时，MRM C谐振波长不变，输出高电平，从而实现NOR功能。

光学NAND门的架构与NOR门类似，如图2（c）所示。不同之处在于，MRMs A和B初始时谐振波长均与λ0对齐，且是将两个光电流相加Isum=IA+IB。当两个输入都为高电平时，Isum最大，使MRMs A和B失谐，Y分支输出高光功率；其他输入情况下，Isum不足以使MRMs失谐，Y分支输出跟随输入的最小值，实现逻辑AND操作。再通过类似的NOT门对AND输出取反，得到NAND输出。

◆SR锁存器的形成与功能

通过使用两个NOR或NAND门，可形成SR锁存器存储单元，图2（e）展示了其顶层示意图和真值表。在本研究中，采用两个NOR门来展示锁存器功能，图2（f）为基于两个NOR门的光学SR锁存器架构，其置位、复位以及两个互补输出Q和Q*均在光域完成。锁存器的响应时间取决于MRM和PD的电光和光电带宽。

◆可编程光子平台上的光存储器

为验证概念，研究使用了iPronics SmartLight处理器这一商用平台，对光子NOR和NAND门进行实验验证，并利用其逼真模拟器对SR锁存器存储单元进行模拟。

◆NOR/NAND门的实验实现

在可编程MZI网格硬件（硅光子芯片）上实现光学NOR/NAND门，如图3（a）所示。每个2×2 MZI由两个50/50定向耦合器和两个热相移器组成，可通过Python编写的控制软件编程为0到1之间的任意分光比。MZI长811μm，平均插入损耗约0.5dB。实验中，激光源设置在1550nm，耦合到网格输入端口的光功率约为 -5dBm。输入光经分光器1分成两部分，70%作为NOT功能的信号光（红色信号路径），其余用于生成逻辑输入（绿色信号路径）。分光器2用于生成逻辑输入A和B，通过编程分光比可产生各种逻辑输入组合。实验结果如图3（b）所示，垂直轴表示归一化输出光功率，水平轴表示输入数据索引，NOR/NAND输出的峰值光功率约为 -10.5dBm。通过在输入信号中添加任意幅度变化，验证了UOLG操作的稳健性，即便存在变化，两个门在所有输入场景下都能生成正确的逻辑输出。

◆ SR锁存器的模拟实现

由于当前可用硬件网格尺寸限制，只能容纳一个UOLG，因此使用SmartLight处理器提供的具有更大网格尺寸（MZI数量是硬件的两倍多）的逼真模拟器来实现SR锁存器。在模拟器中，使用一个光输入实现锁存器，如图4（a）所示。分光器1 - 3生成供应光1、2以及置位和复位信号，置位和复位状态由两个可变衰减器控制。MRMs C1和C2执行NOT功能，MRMs A1、B1、A2和B2生成OR1和OR2输出。通过监测MRM C1和C2后的分光器得到锁存器输出Q和Q*。图4（b）展示了锁存器的模拟结果，生成了十一种不同的输入组合来设置、复位和保持锁存器输出，相应的互补锁存器输出（归一化）显示，置位、复位和锁存/保持状态分别用蓝色、红色和绿色阴影表示。结果表明，该可编程光子存储单元能准确执行置位、复位和锁存/保持功能，即便在置位和复位信号中添加幅度变化，锁存器输出仍能保持准确的逻辑电平。

◆研究总结与展望

与以往光存储器相比，该研究提出的光子锁存器在多个方面具有优势。从架构可扩展性来看，它与硅光子平台兼容，无需额外材料系统和后处理，可低成本大规模制造，且电子和光子组件的单片集成工艺能进一步减小尺寸、提高可扩展性和效率。在响应时间和能耗方面，使用高速电光调制器和探测器可实现数十皮秒的存储响应时间，且激光每比特能量消耗可忽略不计，整体功耗效率主要由电子电路决定，约为400fJ/bit（四个驱动器），相比之下，电子存储器的数据转换和传输会带来至少3.5pJ/b的能量开销。

虽然该锁存器的电子和光子芯片面积大于典型数字电子锁存器，但皮秒级响应时间以及减少数据转换和传输的优势，使其成为直接临时光数据存储的有前景的互补存储器。此外，每个存储单元独立的供应光可维持特定光功率范围，有利于大规模系统构建；MRMs的波长选择性使其与波分复用（WDM）方案兼容，可实现并行处理，通过多个不同谐振波长的MRMs，能在单个锁存单元中存储多个数据位。

这项研究提出并演示了基于通用光逻辑门的光子SR锁存器作为光存储单元，在iPronics SmartLight可编程硅光子平台上实验演示了光子NOR和NAND门，并在模拟器中展示了锁存器的所有功能。光数据存储是光处理系统面临的主要挑战之一，该研究为可扩展的解决方案迈出了重要一步，有望与现有和未来的集成光子处理器协同设计和集成，推动光处理系统的进一步发展。