Non-volatile integrated photonics on lithium tantalate-on-insulator

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der Ihr Computer nicht nur schneller denkt, sondern leichter denkt. Anstatt Elektrizität zu verwenden, um Bits von Daten wie Autos auf einer Autobahn hin und her zu bewegen, bauen Wissenschaftler „photonische Schaltkreise“, die Lichtstrahlen nutzen. Licht ist unglaublich schnell und erzeugt nicht so viel Hitze wie Elektrizität, was es perfekt für die nächste Generation von Supercomputern macht. Es gibt jedoch einen Haken: Um diese Lichtschaltkreise zu nützlichen Dingen zu bringen, wie etwa Signale zu schalten oder Farben zu ändern, müssen wir sie normalerweise ständig mit Elektrizität oder Hitze „drücken“. Es ist, als würde man versuchen, eine Schaukel in Bewegung zu halten, indem man sie ständig anschubst; wenn man aufhört zu drücken, bleibt die Schaukel stehen. Dieses ständige „Drücken“ verbraucht viel Energie und erzeugt Hitze, was ein großes Problem darstellt, wenn man Millionen dieser Schalter auf einem winzigen Chip unterbringen möchte. Wissenschaftler haben nach einem Weg gesucht, den Pfad des Lichts zu „einstellen“, sodass er dort bleibt, ohne dass eine konstante Stromversorgung benötigt wird – ähnlich wie ein Lichtschalter, der in der Position „An“ bleibt, selbst nachdem man den Griff losgelassen hat.

Hier kommt eine neue Studie ins Spiel, die einen cleveren Trick unter Verwendung eines speziellen Kristalls namens Lithiumtantalat vorstellt. Die Forscher entdeckten einen Weg, einen neuen Pfad für das Licht dauerhaft in diesem Kristall zu „schreiben“, und einmal geschrieben, bleibt das Licht auf diesem Pfad, ohne dass zusätzliche Energie benötigt wird, um es dort zu halten. Sie nennen dies „nichtflüchtige“ Photonik. Stellen Sie sich das wie das Schreiben mit einem speziellen Stift auf einem Stück Glas vor: Sie schreiben eine Nachricht, und auch wenn Sie den Stift wegnehmen, bleibt die Nachricht für immer sichtbar, bis Sie sich entscheiden, sie mit Hitze zu löschen. Durch die Kombination dieser Fähigkeit des „permanenten Schreibens“ mit der Fähigkeit, Licht mit Lichtgeschwindigkeit an- und auszuschalten, hat das Team einen neuen Typ Chip entwickelt, der sowohl unglaublich schnell als auch energieeffizient ist. Sie testeten dies, indem sie ein Gerät bauten, das die Kanten von Bildern erkennen kann (wie das Finden der Umrisse einer Katze in einem Foto), und fanden heraus, dass es diese Aufgabe mit fast gar keinem Stromaufwand für die Beibehaltung seiner Einstellungen erledigen konnte, während es gleichzeitig Daten mit Geschwindigkeiten verarbeitete, die einen normalen Computer schwindelig machen würden.

Die Geschichte des „Speicherkristalls“

Das Forscherteam, unter der Leitung eines Teams der Huazhong University of Science and Technology und der Shanghai Jiao Tong University, beschloss, das Energieproblem durch die Verwendung eines Materials namens Lithiumtantalat-auf-Isolator (LTOI) anzugehen. Sie können sich dieses Material als eine superschmale Scheibe eines speziellen Kristalls vorstellen, die auf einer Glasschicht sitzt. In diesem Kristall befinden sich winzige atomare „Schalter“, sogenannte ferroelektrische Domänen. Normalerweise muss man, um zu verändern, wie das Licht durch den Kristall wandert, ständig eine Spannung anlegen, was so ist, als würde man ständig mit dem Finger auf eine Türklingel drücken, um den Ton aufrechtzuerhalten.

Der große Durchbruch des Teams bestand darin, herauszufinden, wie man diese atomaren Schalter „umklappt“ und sie dann fest umgeklappt lässt. Sie verwendeten ein Konzept namens Defekt-Dipol-Modell. Stellen Sie sich den Kristall wie eine überfüllte Tanzfläche vor. Die Tänzer (Atome) haben eine natürliche Richtung, in die sie blicken, aber es gibt auch einige „Fehler“ oder fehlende Tänzer (Defekte), die ein winziges, unsichtbares magnetähnliches Feld erzeugen. Als die Forscher einen starken Spannungsimpuls anwendeten, zwangen sie die Tänzer, sich umzudrehen. Da die „Fehler“ jedoch fest an ihrem Platz sind und sich bei Raumtemperatur nicht leicht bewegen können, zogen sie die Tänzer ständig zurück in ihre ursprüngliche Richtung. Dies erzeugte ein neues, stabiles Gleichgewicht, in dem die Tänzer zwar gedreht blieben, aber das „Fehlerfeld“ bestehen blieb. Diese neue Anordnung veränderte, wie das Licht durch den Kristall reiste, und entscheidend war, dass dies auch so blieb, nachdem die Spannung ausgeschaltet wurde. Es ist, als würde man einen schweren Felsbrocken einen Hügel hinaufschieben und er dann in einer kleinen Senke oben stecken bleibt; er wird nicht von selbst zurückrollen, es sei denn, man gibt ihm einen kräftigen Stoß (Hitze), um ihn aus der Senke zu befördern.

Die Ergebnisse: Schnell, verlustarm und permanent

Das Team hat dies nicht nur theoretisiert, sondern gebaut und mit beeindruckenden Ergebnissen getestet.

Zuerst überprüften sie, wie gut das Licht durch ihre neuen Kristallchips wanderte. Sie fanden heraus, dass das Licht beim Wandern nur sehr wenig Energie verlor, mit einem Verlust von nur etwa 0,05–0,06 dB/cm. Das ist eine große Sache, denn es bedeutet, dass man sehr lange, komplexe Schaltkreise auf dem Chip bauen kann, ohne dass das Signal verblasst.

Als Nächstes testeten sie den „Speicher“-Teil. Sie programmierten den Chip, die Phase des Lichts (was so etwas wie das Verschieben der Zeit einer Welle ist) auf verschiedene Ebenen zu ändern. Sie fanden heraus, dass sie 137 verschiedene Positionen über einen vollen Kreis der Phase (einen $\pi$-Bereich) einstellen konnten, mit einer Präzision, die so fein ist, als würde man einen Kreis in winzige Stücke von 0,007$\pi$ unterteilen. Noch besser: Sie schrieben und löschten diese Einstellungen über 1 Million Mal ($10^6$ Zyklen) hinweg, und der Chip erinnerte sich immer noch perfekt an die Einstellungen. Die programmierten Zustände verblassten nicht über die Zeit; sie blieben mindestens eine Woche lang stabil, und der Chip benötigte keinen Strom, um sie dort zu halten.

Dann kombinierten sie diesen „Speicher“ mit Hochgeschwindigkeits-Schalten. Sie bauten einen Modulator (ein Gerät, das Licht an- und ausschaltet, um Daten zu übertragen), der mit Geschwindigkeiten von über 110 GHz schalten konnte. Normalerweise muss man diese Modulatoren ständig mit Elektrizität nachjustieren, um zu verhindern, dass sie driften. Aber da dieser neue Chip seine korrekte Einstellung „erinnern“ konnte, konnten sie ihn einmal einstellen und ihn dann mit hoher Geschwindigkeit bei null statischer Leistung (keine Leistung zum Halten der Einstellung benötigt) laufen lassen. Sie nutzten dies, um einen Modulator zu bauen, der Datenraten von 400 Gbit/s bewältigen konnte und sogar das „Extinktionsverhältnis“ (wie gut es das Licht vollständig ausschalten kann) auf massive 59,3 dB steigerte. Das ist so, als würde man einen Lichtschalter so effektiv betätigen, dass der „Aus“-Zustand 59 Dezibel leiser ist als der „An"-Zustand, was es unglaublich klar macht.

Das große Finale: Ein Chip zur Kantenerkennung von Bildern

Um zu zeigen, wie nützlich dies in der realen Welt sein könnte, baute das Team ein kleines „Gehirn“ für einen Computer, das Kanten in Bildern erkennen kann. Stellen Sie sich vor, Sie haben ein Foto einer Katze und möchten, dass der Computer eine Linie um den Umriss der Katze zeichnet. Dies wird als „Kantenerkennung“ bezeichnet.

Sie bauten einen Chip, in dem die „Regeln“ für das Erkennen einer Kante mithilfe ihrer nichtflüchtigen Methode in den Kristall geschrieben wurden. Einmal geschrieben, blieben diese Regeln ohne Leistungsbedarf bestehen. Dann speisten sie Echtzeit-Videodaten in den Chip ein. Der Chip verarbeitte das Bild mit einer Geschwindigkeit von 10 Gpixel/s (10 Milliarden Pixel pro Sekunde) in ihrem Experiment. Das Ergebnis? Er identifizierte die Kanten mit 100 % Genauigkeit.

Der aufregendste Teil war die Energieeffizienz. Da der Chip keine Leistung verbrennen musste, um seine Einstellungen beizubehalten, erreichte er eine Energieeffizienz von 3,48 TOPS W$^{-1}$ (Tera Operationen pro Sekunde pro Watt). Wenn sie die alte, energiehungrige Methode verwendet hätten, bei der der Chip ständig erhitzt werden muss, um die Einstellungen zu halten, wäre die Effizienz auf nur 0,60 TOPS W$^{-1}$ gesunken. Das Team prognostizierte zudem, dass die Effizienz drastisch steigen könnte (auf 120,4 TOPS W$^{-1}$), falls sie den Chip noch schneller laufen lassen könnten (bei 200 Gbit/s).

Was das bedeutet

Dieses Paper beweist, dass man das Beste aus beiden Welten haben kann: einen photonischen Chip, der unglaublich schnell ist (über 110 GHz) und einen sehr geringen Signalverlust aufweist, aber auch einen, der sich seine Einstellungen „merken“ kann, ohne Energie zu verschwenden. Es ist ein bedeutender Schritt nach vorn, da frühere Versuche, „Speicher“ in Lichtchips zu implementieren, oft Materialien verwendeten, die zu viel Licht absorbierten oder nicht schnell genug schalten konnten. Durch die Verwendung von Lithiumtantalat und das Verständnis der winzigen atomaren Defekte hat das Team eine Plattform geschaffen, die letztendlich zu hocheffizienten, Hochgeschwindigkeitscomputern für Dinge wie selbstfahrende Autos, Roboter und fortschrittliche medizinische Bildgebung führen könnte – und das alles ohne die Hitze und den Energieverbrauch der heutigen Elektronik.