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

想象这样一个世界：你的计算机不仅思考得更快，而且思考得更“轻盈”。与其使用电力像在高速公路上行驶的汽车一样搬运比特数据，科学家们正在构建使用光束的“光子电路”。光的速度极快，且产生的热量远低于电能，这使其成为下一代超级计算机的完美选择。然而，这里有一个难点：为了让这些光电路执行有用的操作，比如切换信号或改变颜色，我们通常需要不断地用电或热量去推动它们。这就像是试图通过不断推一下来让秋千摆动；如果你停止推动，秋千就会停止。这种持续的“推动”会消耗大量能量并产生热量，如果你想在微小的芯片上集成数百万个这样的开关，这便成了一个大问题。科学家们一直在寻找一种方法，能够“设定”光的路径并让其保持在那里，而不需要持续的电源供应，就像一个即使你松开手柄也能保持在“开启”位置的灯开关一样。

正是在这里，一项新的研究登场了，它引入了一个巧妙的技巧，使用了一种名为钽酸锂的特殊晶体。研究人员发现了一种在晶体内永久“写入”新光路的方法，一旦写好，光就会留在该路径上，无需任何额外能量来维持。他们称之为“非易失性”光子学。你可以把它想象成用一支特殊的笔在玻璃上写字：你写下了一段信息，即使你拿走了笔，信息依然清晰可见，直到你决定用热量将其擦除。通过将这种“永久写入”的能力与以极快速度开关光的能力相结合，该团队创造了一种既极其快速又具有高能效的新型芯片。他们通过构建一个能够识别图像边缘（例如找到照片中猫的轮廓）的设备测试了它，并发现它在处理数据时速度之快足以让普通计算机感到眩晕，同时几乎不消耗维持设置所需的功率。

“记忆晶体”的故事

由华中科技大学和上海交通大学团队领导的研究人员，决定利用一种名为**钽酸锂绝缘体上硅（LTOI）**的材料来解决能量问题。你可以把这种材料想象成一层放在玻璃层上的特殊晶体的超薄切片。在这个晶体内部，存在着被称为“铁电畴”的微小原子“开关”。通常，要改变光在晶体中的运动方式，你必须持续施加电压，这就像为了让铃声持续响下去而必须一直用手指按住门铃一样。

团队的大突破在于找到了如何“翻转”这些原子开关并让它们保持在翻转状态。他们使用了一个概念——缺陷偶极子模型。想象一下，晶体是一个拥挤的舞池。舞者（原子）都有一个自然的朝向，但也有一些“故障”或缺失的舞者（缺陷），它们创造了一个微小的、类似磁场的隐形场。当研究人员施加一个强电压脉冲时，他们迫使舞者转身。然而，由于这些“故障”固定在原地且在室温下难以移动，它们会不断将舞者拉回原始方向。这创造了一种新的、稳定的平衡，舞者保持了转身后的姿态，但“故障”场依然存在。这种新排列改变了光在晶体中的传播方式，而且至关重要的是，即使在电压关闭后，这种状态依然保持不变。这就像把一块重石推上山坡，然后让它卡在一个小凹槽里；除非你给它一个巨大的推力（热量）让它脱离凹槽，否则它不会滚回来。

结果：快速、低损耗且持久

团队不仅停留在理论层面，他们还构建并测试了它，并取得了令人印象深刻的结果。

首先，他们检查了光通过这种新晶体芯片的效果。他们发现光在移动过程中损失极小，损耗仅为约 0.05–0.06 dB/cm。这是一个巨大的进步，因为这意味着你可以在芯片上构建非常长且复杂的电路，而不会导致信号衰减。

接着，他们测试了“记忆”部分。他们对芯片进行了编程，使其将光的相位（类似于改变波形的定时）改变到不同的水平。他们发现，他们可以在一个完整的圆周相位（$\pi$ 范围）内设置 137 个不同的位置，其精度之高，就像将一个圆分割成极其细小的切片，每个切片仅为 0.007$\pi$。更棒的是，他们对这些设置进行了超过 100 万次（$10^6$ 次循环）的写入和擦除，芯片依然能完美记住这些设置。编程后的状态不会随时间流逝而消退；它们至少能稳定保持一周，而且芯片不需要任何电力来维持这些设置。

然后，他们将这种“记忆”能力与高速切换相结合。他们构建了一个调制器（一种通过开关光来传输数据的设备），其开关速度超过了 110 GHz。通常，为了让这些调制器正常工作，你需要不断用电进行调节以防止它们发生漂移。但由于这种新芯片可以“记住”其正确设置，他们只需设置一次，然后就可以让它高速运行，且静态功耗为零（无需维持设置的功率）。他们利用这一点创建了一个数据速率可达 400 Gbit/s 的调制器，甚至将“消光比”（即它将光完全关闭的能力）提升到了惊人的 59.3 dB。这就像极其有效地关掉灯开关，使得“关闭”状态比“开启”状态安静了 59 分贝，使其表现得异常清晰。

终章：图像边缘检测芯片

为了展示这在现实世界中的用途，团队构建了一个可以识别图像边缘的计算机“小脑”。想象一下，你有一张猫的照片，你想让计算机在猫的轮廓周围画线。这被称为“边缘检测”。

他们构建了一个芯片，其中的“识别边缘的规则”是通过他们的非易失性方法写入晶体中的。一旦写入，这些规则就会一直存在，无需任何动力。然后，他们向芯片输入实时视频数据。在实验中，该芯片处理图像的速度达到了 10 Gpixel/s（每秒 100 亿像素）。结果如何？它以 100% 的准确率识别出了边缘。

最令人兴奋的部分是能效。由于芯片不需要消耗功率来维持其设置，它实现了 3.48 TOPS W$^{-1}$ 的能量效率。如果使用以前那种需要不断加热芯片以维持设置的耗能方法，其效率将降至仅为 0.60 TOPS W$^{-1}$。团队还预测，如果他们能让芯片运行得更快（达到 200 Gbit/s），其效率可能会飙升至 120.4 TOPS W$^{-1}$。

这意味着什么

这篇论文证明了你可以兼得两者之长：一个光子芯片既可以拥有极高的速度（超过 110 GHz）和极低的信号损耗，又可以具备“记忆”其设置且不浪费能量的能力。这是一个重要的进步，因为以往尝试在光芯片中实现“存储”的方法往往涉及吸收过多光线的材料，或者无法实现快速切换。通过使用钽酸锂并理解微小原子缺陷的工作原理，该团队创造了一个平台，最终可能为自动驾驶汽车、机器人和先进医学成像等领域提供高效、高速的计算机，且不会产生如今电子设备的散热和能耗问题。