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

Stel je een wereld voor waarin je computer niet alleen sneller denkt, maar ook lichter denkt. In plaats van elektriciteit te gebruiken om bits aan data rond te bewegen zoals auto's op een snelweg, bouwen wetenschappers "fotonische circuits" die lichtstralen gebruiken. Licht is ongelooflijk snel en genereert niet zoveel warmte als elektriciteit, wat het perfect maakt voor de volgende generatie supercomputers. Er is echter een addertje onder het gras: om deze lichtcircuits nuttige dingen te laten doen, zoals signalen schakelen of van kleur veranderen, moeten we ze meestal constant met elektriciteit of warmte stimuleren. Het is alsof je een schommel probeert in beweging te houden door er constant tegenaan te duwen; als je stopt met duwen, stopt de schommel. Dit constante "duwen" verbruikt veel energie en creëft warmte, wat een groot probleem is als je miljoenen van deze schakelaars op een minuscule chip wilt plaatsen. Wetenschappers zoeken naar een manier om het pad van het licht te "instellen" en het daar te laten blijven zonder dat er een constante stroomtoevoer nodig is, een beetje zoals een lichtschakelaar die in de "aan"-stand blijft staan, zelfs nadat je de hendel hebt losgelaten.

Dit is waar een nieuwe studie om de hoek komt kijken, die een slimme truc introduceert met een speciaal kristal genaamd lithiumtantalaat. De onderzoekers ontdekten een manier om permanent een nieuw pad voor licht in dit kristal te "schrijven", en zodra het geschreven is, blijft het licht op dat pad zonder dat er extra energie nodig is om het daar te houden. Ze noemen dit "niet-vluchtige" fotonica. Denk aan het schrijven met een speciale pen op een stuk glas: je schrijt een boodschap en zelfs als je de pen weghaalt, blijft de boodschap voor altijd zichtbaar totdat je besluitt deze met warmte te wissen. Door deze "permanente schrijfvaardigheid" te combineren met het vermogen om licht met de snelheid van het licht aan en uit te schakelen, creëerde het team een nieuw type chip dat zowel ongelooflijk snel als energiezuinig is. Ze testten dit door een apparaat te bouwen dat de randen van afbeeldingen kan opsporen (zoals het vinden van de omtrek van een kat in een foto) en ontdekten dat het de taak kon uitvoeren met bijna geen vermogen om de instellingen te behouden, terwijl het gegevens verwerkte met snelheden waar een gewone computer duizelig van zou worden.

Het verhaal van het "Geheelskristal"

De onderzoekers, onder leiding van een team van de Huazhong University of Science and Technology en de Shanghai Jiao Tong University, besloten het energieprobleem aan te pakken door gebruik te maken van een materiaal genaamd lithiumtantalaat-op-isolator (LTOI). Je kunt dit materiaal zien als een superdun plakje van een speciaal kristal dat op een laag glas rust. Binnen dit kristal bevinden zich minuscule atomaire "schakelaars" genaamd ferro-elektrische domeinen. Normaal gesproken, om te veranderen hoe licht door het kristal beweegt, moet je constant een spanning blijven toepassen, wat vergelijkbaar is met het constant indrukken van een deurbel om het geluid te laten aanhouden.

De grote doorbraak van het team was het ontdekken van hoe ze deze atomaire schakelaars konden "omklappen" en ze ook daadwerkelijk omgeklapt konden laten. Ze gebruikten een concept genaamd het defect-dipoolmodel. Stel je voor dat het kristal een drukke dansvloer is. De dansers (atomen) hebben een natuurlijke richting waarin ze staan, maar er zijn ook enkele "glitches" of ontbrekende dansers (defecten) die een klein, onzichtbaar magnetischachtig veld creëren. Wanneer de onderzoekers een sterke spanningspuls toepasten, dwongen ze de dansers om zich om te draaien. Echter, omdat de "glitches" op hun plek vastzitten en niet gemakkelijk bij kamertemperatuur kunnen bewegen, bleven ze de dansers terugtrekken naar hun oorspronkelijke richting. Dit creëerde een nieuwe, stabiele balans waarbij de dansers weliswaar omgedraaid bleven, maar het "glitch"-veld aanwezig bleef. Deze nieuwe arrangement veranderde de manier waarop licht door het kristal reisde, en cruciaal was dat dit zo bleef, zelfs nadat de spanning werd uitgeschakeld. Het is als het omhoog duwen van een zware rots tegen een heuvel en het feit dat de rots in een klein kuiltje bovenop blijft steken; hij zal niet terugrollen tenzij je een flinke duw (warmte) geeft om hem uit het kuiltje te krijgen.

De resultaten: Snel, met weinig verlies en permanent

Het team heeft dit niet alleen theoretisch onderzocht; ze hebben het gebouwd en getest met indrukwekkende resultaten.

Ten eerste controleerden ze hoe goed licht door hun nieuwe kristalchips reisde. Ze ontdekten dat het licht zeer weinig energie verloor tijdens de verplaatsing, met een verlies van slechts ongeveer 0,05–0,06 dB/cm. Dit is een enorme zaak, want het betekent dat je zeer lange, complexe circuits op de chip kunt bouwen zonder dat het signaal vervaagt.

Vervolgens testten ze het "geheugen"-gedeelte. Ze programmeerden de chip om de fase van het licht (wat vergelijkbaar is met het verschuiven van de timing van een golf) naar verschillende niveaus te veranderen. Ze ontdekten dat ze 137 verschillende posities konden instellen over een volledige cirkel van fase (een $\pi$-bereik), met een precisie die zo fijn is dat het vergelijkbaar is met het verdelen van een cirkel in minuscule plakjes van 0,007$\pi$. Nog beter nog: ze schreven en wisten deze instellingen meer dan 1 miljoen keer ($10^6$ cycli), en de chip herinnerde zich de instellingen nog steeds perfect. De geprogrammeerde toestanden vervaagden niet in de loop van de tijd; ze bleven minstens een week stabiel, en de chip had geen elektriciteit nodig om ze daar te houden.

Daarna combineerden ze dit "geheugen" met hoogwaardige schakeling. Ze bouwden een modulator (een apparaat dat licht aan en uit zet om gegevens te transporteren) die kon schakelen met snelheden van meer dan 110 GHz. Normaal gesproken moet je deze modulatoren constant bijsturen met elektriciteit om te voorkomen dat ze gaan driften. Maar omdat deze nieuwe chip zijn juiste instelling kon "onthouden", konden ze hem één keer instellen en vervolgens op hoge snelheid laten draaien met nul statisch vermogen (geen vermogen nodig om de instelling vast te houden). Ze gebruikten dit om een modulator te creëren die datasnelheden van 400 Gbit/s kon verwerken en zelfs de "extinctieratio" (hoe goed het licht volledig kan uitschakelen) kon verhogen naar een enorme 59,3 dB. Dit is als het zo effectief omdraaien van een lichtschakelaar dat de "uit"-stand 59 decibel stiller is dan de "aan"-stand, wat het ongelooflijk duidelijk maakt.

De Grand Finale: Een chip voor randdetectie in afbeeldingen

Om te laten zien hoe nuttig dit in de echte wereld kan zijn, bouwde het team een kleine "hersenen" voor een computer die randen in afbeeldingen kan opsporen. Stel je voor dat je een foto van een kat hebt en je wilt dat de computer een lijn rond de omtrek van de kat tekent. Dit wordt "randdetectie" genoemd.

Ze bouwden een chip waarbij de "regels" voor het opsporen van een rand in het kristal werden geschreven met hun niet-vluchtige methode. Eenmaal geschreven, bleven deze regels aanwezig zonder dat er vermogen nodig was. Vervolgens voedden ze de chip met realtime videogegevens. De chip verwerkte de afbeelding met een snelheid van 10 Gpixel/s (10 miljard pixels per seconde) in hun experiment. Het resultaat? Het identificeerde de randen met 100% nauwkeurigheid.

Het meest opwindende deel was de energie-efficiëntie. Omdat de chip geen vermogen hoefde te verbruiken om zijn instellingen te behouden, bereikte het een energie-efficiëntie van 3,48 TOPS W$^{-1}$ (Tera Operations Per Second per Watt). Als ze de oude, energieverslindende methode hadden gebruikt waarbij de chip constant werd verwarmd om de instellingen te behouden, zou de efficiëntie zijn gedaald naar slechts 0,60 TOPS W$^{-1}$. Het team projecteerde ook dat als ze de chip nog sneller konden laten draaien (op 200 Gbit/s), de efficiëntie zou kunnen omhoog schieten naar 120,4 TOPS W$^{-1}$.

Wat dit betekent

Dit artikel bewijst dat je het beste van twee werelden kunt hebben: een fotonische chip die ongelooflijk snel is (meer dan 110 GHz) en een zeer laag signaalverlies heeft, maar ook een chip die zijn instellingen kan "onthouden" zonder energie te verspillen. Het is een belangrijke stap voorwaarts omdat eerdere pogingen om "geheugen" in lichtchips te maken vaak gebruikmaakten van materialen die te veel licht absorbeerden of niet snel genoeg konden schakelen. Door lithiumtantalaat te gebruiken en te begrijpen hoe de minuscule atomaire defecten werken, heeft het team een platform gecreëerd dat uiteindelijk kan leiden tot super-efficiënte, snelle computers voor zaken als zelfrijdende auto's, robots en geavanceerde medische beeldvorming, allemaal zonder de hitte en het energieverbruik van de huidige elektronica.