光学方法和装置
阅读说明：本技术 光学方法和装置 (Optical method and apparatus ) 是由 卡洛斯·A·里奥斯·奥坎波 内桑·扬布拉德 程增光 哈里什·巴斯卡兰 于 2018-06-28 设计创作，主要内容包括：一种使用装置(100)在光域中执行乘法运算的方法,该装置包括：光波导(101)以及光耦合到光波导(101)的调制元件(102),该调制元件(102)根据调制元件的状态来修改波导(101)的透射、反射或吸收特性,其中,该调制元件(102)的状态能通过写入信号(103)调整。该方法包括：将第一值编码到写入信号(103),使用写入信号(103)将第一值映射到调制元件(102)的状态；将第二值编码到读取信号(104)；产生作为透射或反射的读取信号的输出信号强度,其中,第一值和第二值的乘积被编码在输出信号强度中。(A method of performing a multiplication operation in the optical domain using an apparatus (100), the apparatus comprising: an optical waveguide (101) and a modulation element (102) optically coupled to the optical waveguide (101), the modulation element (102) modifying a transmission, reflection or absorption characteristic of the waveguide (101) depending on a state of the modulation element, wherein the state of the modulation element (102) is adjustable by a write signal (103). The method comprises the following steps: encoding a first value to a write signal (103), mapping the first value to a state of a modulation element (102) using the write signal (103); encoding the second value into the read signal (104); an output signal intensity is generated as a transmitted or reflected read signal, wherein the product of the first value and the second value is encoded in the output signal intensity.)
本发明涉及：用于执行乘法的方法和设备；用于数模转换的方法和设备；用于调整相变材料的状态的方法和设备；以及用于实现易失性光学存储元件的方法和设备。
背景技术
集成光子学为使用光在芯片上执行计算任务提供了有吸引力的解决方案，并且相变材料正在成为光子平台上的首选功能材料。可以被光学地写入、擦除和访问的片上非易失性存储器正在朝着全光子芯片级信息处理快速地桥接间隙。
在当前的计算系统中，数据的存储和处理发生在不同的物理位置-存储器和处理器。存储器与处理器之间的信息传输是限制计算机的速度的众所周知的问题。已经提出，标量乘法和逐块逐位运算可以在内存元件(memelements)(执行信息处理和存储两者的电子电路元件)中执行。这样的内存计算机(包括内存元件)能够通过利用诸如固有并行性、功能多态性和信息开销的属性来解决多项式(P)时间中的某些非确定性多项式(NP)问题。
光子装置具有优于电子实现的潜在优势-它们可以提供甚至更快的解决方案，该解决方案允许在芯片上使用不同波长进行快速复用。近年来，光子存储器已经被公开在例如在WO2017/046590中，其公开内容通过引用结合于此。尽管已经取得了相当大的进展，但是在许多领域中仍然存在改进的空间。
发明内容
本发明的每个实施方式和方面可以使用装置或包括装置来实现，该装置包括：光波导以及光耦合到光波导的调制元件，该调制元件根据调制元件的状态来修改波导的透射、反射或吸收特性，其中，调制元件的状态能通过由波导携带的光信号或通过施加到波导或位于调制元件附近的电阻元件的电信号来调整。
调制元件可以包括相变材料。相变材料可以是超晶格材料。相变材料可以包括或由选自GeSbTe、VOx的元素组合的化合物或合金组成。NbOx、GeTe、GeSb、GaSb、AgInSbTe、InSb、InSbTe、InSe、SbTe、TeGeSbS、AgSbSe、SbSe、GeSbMnSn、AgSbTe、AuSbTe和AlSb。相变材料可以包括选自列表的化合物的混合物。波导的芯材料可以具有至少1eV的光带隙。波导的芯材料可以选自：硅、氮化硅、氮化镓、砷化镓、氮化铝、氧化镁和金刚石(多晶或单晶)。调制元件可以具有小于40nm或20nm的厚度。
根据本发明的第一方面，提供了一种使用装置在光域中执行乘法运算的方法，该装置包括：
光波导以及光耦合到光波导的调制元件，该调制元件根据调制元件的状态来修改波导的透射、反射或吸收特性，其中，该调制元件的状态能通过写入信号调整；
其中，该方法包括以下步骤：
将第一值编码到写入信号，
使用写入信号将第一值映射到调制元件的状态；
将第二值编码到读取信号；
产生作为透射或反射的读取信号的输出信号强度，其中，第一值和第二值的乘积被编码在输出信号强度中。
写入信号可以是由波导携带的光信号。使用写入信号将第一值映射到调制元件的状态可以包括通过波导透射写入信号。
写入信号可以是电信号。波导可以被掺杂，并且电信号可以被施加到掺杂的波导。电信号可以被施加到接近调制元件的电阻元件。电信号可以是电流脉冲。
电信号可以使电流流过波导或电阻元件，导致焦耳加热并将热能从波导或电阻元件传递到调制元件，从而调整调制元件的状态。
根据本发明的第二方面，提供了一种使用装置在光域中执行乘法运算的方法，该装置包括：
光波导以及光耦合到光波导的调制元件，该调制元件根据调制元件的状态来修改波导的透射、反射或吸收特性，其中，该调制元件的状态能通过由波导携带的光信号来调整；
其中，该方法包括以下步骤：
将第一值编码到写入信号，
由通过波导透射写入信号，使用写入信号将第一值映射到调制元件的状态；
将第二值编码到读取信号；
产生作为透射或反射的读取信号的输出信号强度，其中，第一值和第二值的乘积被编码在输出信号强度中。
以下可选特征适用于本发明的第一方面和第二方面两者。
确定结果可以包括对输出强度施加偏移校正。
偏移校正可以对应于输出信号强度。
确定结果可以包括对输出强度施加缩放校正。
第一值和第二值具有至少三个不同的可能水平。
写入脉冲可以将第一值映射到调制元件的非结晶程度。
调制元件可以在使用写入信号之前被放置在基线结晶条件。
将调制元件放置在基线结晶条件可以包括使用两步复位脉冲，第一步具有比第二步更高的功率和更短的持续时间。复位脉冲可以根据以下描述的第六方面。两步脉冲不限于具有固定功率的第一步和具有固定功率的第二步，并且可以采取其他形式。例如，方形第一步可以紧跟三角波第二步，或者可以使用具有连续变化功率的两步复位脉冲，其中，第一步包括高功率部分，并且第二步包括低功率部分。
在第一值与乘积之间以及在第二值与乘积之间可以存在线性缩放。
输出脉冲强度可以被检测为透射的读取脉冲的比例。
写入信号可以是光写入脉冲。
读取信号可以是光读取脉冲。
该方法可以包括通过执行一个以上乘法运算来确定向量或矩阵乘法，其中，输出信号通过组合来自一个以上波导的透射或反射的信号来产生。
该方法可以包括使用包括一个以上波导的装置，该一个以上波导中的每个波导包括相应的调制元件。
该装置还可以包括至少一个光组合器，每个组合器被配置为组合由至少一个波导产生的输出信号。
该写入信号可以是将第一值映射到调制元件的第一区域的状态的第一写入信号，并且该方法还可以包括：将第三值编码到第二写入信号，并且使用第二写入信号将第三值映射到调制元件的第二区域的状态，其中，输出信号强度编码第一值、第二值和第三值的乘积和/或第一值乘以第二值与第一值乘以第三值的和。
该方法可以包括加密或解密信息。
第一写入信号和第二写入信号可以在不同方向上传播。
该装置可以包括限定读取信号传播方向的第一波导，以及用于在基本上横向于读取信号传播方向携带写入信号的至少一个另外的波导。
该光波导可以是第一光波导，并且该装置还可以包括第二波导，该第二波导可以在调制元件的区域中横向于第一波导(或者与第一波导呈任何非零角度)，其中，调制元件光耦合到第一波导和第二波导两者。
根据第三方面，提供了一种用于在光域中执行乘法运算的装置，包括：
光波导；
光耦合到光波导的调制元件，该调制元件根据调制元件的状态来修改波导的透射、反射或吸收特性，其中，该调制元件的状态能通过写入信号调整；
光源，被配置为通过光波导透射光信号；
检测器，被配置为检测来自波导的光强度；
控制器，被配置为：
将第一值编码到写入信号；
将第二标量值编码到由光源透射的读取信号；
基于来自检测器的信号确定输出脉冲强度；
基于输出强度确定第一值与第二值的乘法的结果。
调制元件的状态可以通过由波导携带的光信号来调整。控制器可以被配置为将第一值编码到由光源透射的写入信号。
该装置可以包括电信号发生器。调制元件的状态可以通过由电信号发生器生成的电信号来调整，该电信号是所述写入信号。
波导可以被掺杂，并且电信号可以被布置为施加到波导。
该装置还可以包括接近调制元件的电阻元件。电信号可以被布置为施加到电阻元件。
控制器可以被配置为将第一值编码到由电信号发生器产生的电信号。
电信号可以被布置为使电流流过波导或电阻元件，导致焦耳加热并将热能从波导或电阻元件传递到调制元件，从而调整调制元件的状态。电信号可以是电流脉冲。
根据第四方面，提供了一种用于在光域中执行乘法运算的装置，包括：
光波导；
光耦合到光波导的调制元件，该调制元件根据调制元件的状态来修改波导的透射、反射或吸收特性，其中，该调制元件的状态能通过由波导携带的光信号来调整；
光源，被配置为通过光波导透射光信号；
检测器，被配置为检测来自波导的光的强度；
控制器，被配置为：
将第一值编码到由光源透射的写入信号；
将第二标量值编码到由光源透射的读取信号；
基于来自检测器的信号确定输出脉冲强度；
基于输出强度确定第一值与第二值的乘法的结果。
根据第五方面，提供了一种包括限定读取信号传播方向的第一光波导以及光耦合到第一光波导的调制元件的装置，调制元件根据调制元件的状态来修改波导的透射、反射或吸收特性，其中，调制元件的状态能通过由相应的至少一个写入光波导携带的至少一个写入光信号来调整，每个写入波导在与读取信号传播方向不同(例如，横向于读取信号传播方向)的方向上将相应的写入信号引入调制元件。
根据第六方面，提供了一种包括第一光波导和第二光波导以及调制元件的装置，其中，调制元件光耦合到第一波导和第二波导两者，并且第一波导被配置为在第一方向上传播光通过调制元件，并且第二波导被配置为在与第一方向不同(例如，横向于读取信号传播方向)的第二方向传播光通过调制元件。
根据第三方面到第六方面中的任何方面的装置可以被配置为执行第一方面的方法。
根据第七方面，提供了一种使用装置加权信号光脉冲的方法，该装置包括：
光波导以及光耦合到光波导的调制元件，该调制元件根据调制元件的状态来修改波导的透射、反射或吸收特性，其中，该调制元件的状态能通过由波导携带的光信号来调整；
其中，该方法包括：
通过波导透射定时光脉冲；以及
随后通过波导透射信号光脉冲，其中，每个信号光脉冲产生调制元件的状态的调整量，该调整量由定时光信号脉冲与相应的信号光脉冲之间的时间延迟加权；
产生作为透射或反射的读取信号的输出信号强度，该输出信号编码调制元件的调整量。
该方法可以包括执行数模转换，其中，信号光脉冲是数字输入信号，并且输出信号是模拟输出信号。
定时光脉冲与第一信号光脉冲之间的时间延迟可以小于调制元件的热时间常数。
定时光脉冲与第一信号光脉冲之间的时间延迟可以小于25ns。
定时脉冲和每个信号光脉冲可以包括相同的持续时间和相同的脉冲能量。
波导可以在透射定时光脉冲之前处于基线结晶状态。
每个信号光脉冲可以增加存在于调制元件中的非结晶材料的量。
信号光脉冲的加权可以是二进制的，使得每个连续的信号光脉冲引起大约为前一信号光脉冲一半的非结晶。
根据第八方面，提供了一种用于执行光数模转换的装置，包括：
光波导；
光耦合到光波导的调制元件，该调制元件根据调制元件的状态来修改波导的透射、反射或吸收特性，其中，调制元件的状态能通过由波导携带的光信号来调整；
光源，被配置为通过光波导透射光脉冲；
控制器，被配置为使用光源来：
通过波导透射定时光脉冲，以及
随后通过波导透射信号光脉冲，
其中，信号光脉冲的前沿与定时光脉冲的前沿之间的时间延迟小于调制元件的热时间常数。
第八方面的装置可以被配置为执行第七方面的方法。
根据第九方面，提供了一种控制光存储元件中的易失性的方法，其中，该光存储元件包括：
光波导，光耦合到光波导的调制元件，该调制元件根据调制元件的状态来修改波导的透射、反射或吸收特性，其中，该调制元件的状态能通过写入信号调整；
其中，该方法包括：
利用写入信号修改调制元件的状态；以及
使用通过波导透射的读取信号控制调制元件的易失性，该读取信号具有足够高的功率，以使调制元件在稳定状态下重结晶。
写入信号可以是由波导携带的光信号。调制元件的状态可以利用由波导携带的光写入信号来修改。
写入信号可以是电信号。可以通过将电信号施加到波导或接近波导和调制元件的电阻元件来修改调制元件的状态。
根据第十方面，提供了一种控制光存储元件中的易失性的方法，其中，该光存储元件包括：
光波导，光耦合到光波导的调制元件，该调制元件根据调制元件的状态来修改波导的透射、反射或吸收特性，其中，该调制元件的状态能通过由波导携带的光信号来调整；
其中，该方法包括：
利用由波导携带的光写入信号修改调制元件的状态；
使用通过波导透射的读取信号控制调制元件的易失性，该读取信号具有足够高的功率，以使调制元件在稳定状态下重结晶。
以下可选特征适用于本发明的第九方面和第十方面两者。
读取信号可以具有足以在稳定状态下将调制元件加热到至少结晶温度的功率。
读取信号可以是基本连续的。
读取信号的功率可以是至少1mW，或者可以是至少0.1mW。
该方法可以包括通过与读取信号同时通过波导透射第一光信号和第二光信号来确定第一光信号与第二光信号之间的相关程度，其中，相关程度由通过波导透射或反射读取信号而产生的输出信号的强度来指示。
根据第十一方面，提供了一种使用多个存储单元来模拟神经系统的方法，其中，根据第九方面或第十方面操作至少一些存储单元。
根据第十二方面，提供了一种存储系统，包括：
光波导；
光耦合到光波导的调制元件，该调制元件根据调制元件的状态来修改波导的透射、反射或吸收特性，其中，该调制元件的状态能通过写入信号调整；
至少一个光源，该至少一个光源被配置为通过光波导透射光信号；
控制器，被配置为：
施加写入信号以调整调制元件的状态；
从至少一个光源透射读取信号，该读取信号的功率足以引起调制元件在稳定状态下的重结晶。
写入信号可以是由波导携带的光信号。控制器可以被配置为从至少一个光源透射写入光信号以调整调制元件的状态。
写入信号可以是电信号。控制器可以被配置为将电信号施加到波导或接近波导和调制元件的电阻元件，以便调整调制元件的状态。
根据第十三方面，提供了一种存储系统，包括：
光波导；
光耦合到光波导的调制元件，该调制元件根据调制元件的状态来修改波导的透射、反射或吸收特性，其中，该调制元件的状态能通过由波导携带的光信号来调整；
至少一个光源，该至少一个光源被配置为通过光波导透射光信号；
控制器，被配置为：
从至少一个光源透射写入光信号，以调整调制元件的状态；
从至少一个光源透射读取信号，该读取信号的功率足以引起调制元件在稳定状态下的重结晶。
以下可选特征适用于本发明的第十二方面和第十三方面两者。
存储系统可以包括检测器，该检测器被配置为检测来自波导的光的强度。
存储系统可以包括多个调制元件。
存储系统可以包括多个波导，其中至少一些波导包括调制元件。
存储系统可以被配置为执行第七方面或第八方面的方法。
根据第十四方面，提供了一种调整装置中相变材料的状态的方法，包括：
光波导；
光耦合到光波导的调制元件，该调制元件根据调制元件的状态来修改波导的透射、反射或吸收特性，其中，该调制元件的状态能通过由波导携带的光信号来调整；
该方法包括：
使用复合复位光脉冲来增加调制元件的结晶分数，该复合复位光脉冲包括非结晶脉冲和结晶脉冲，非结晶脉冲具有比非结晶脉冲更高的功率和更短的持续时间。
非结晶脉冲可以具有至少两倍于结晶脉冲的功率。
结晶脉冲可以具有至少两倍于非结晶脉冲的持续时间。
复合复位脉冲可以是步进脉冲。
在非结晶脉冲的后沿与结晶脉冲的前沿之间的任何时间延迟可以小于调制元件的热时间常数。
在调制元件之前，非结晶脉冲可以具有至少5mW或至少10mW的功率。
在调制元件之前，结晶脉冲可以具有小于8mW的功率。
复合复位光脉冲的总切换能量可以小于3nJ、或2nJ或1nJ或800pJ或600pJ。
复合复位光脉冲的持续时间可以小于1μs、或500ns或400ns或300ns或200ns或150ns。
复合复位信号可以使调制元件返回基线状态，基线状态可以是全结晶状态。
可以基于调制元件的期望的重结晶程度来选择结晶脉冲的功率水平。
根据第十五方面，提供了一种装置，包括：
光波导；
光学耦合到光波导的调制元件，该调制元件根据调制元件的状态来修改波导的透射、反射或吸收特性，其中，该调制元件的状态能通过由波导携带的光信号来调整；
光源，被配置为通过光波导透射光脉冲；
控制器，被配置为使用光源来：
透射复合复位光脉冲以增加调制元件的结晶分数，该复合复位光脉冲包括非结晶脉冲和结晶脉冲，非结晶脉冲具有比结晶脉冲更高的功率和更短的持续时间。
该装置可以被配置为执行根据第十四方面的方法。
根据第十六方面，提供了一种用于在光域中执行矩阵乘法运算的装置，该装置包括：
限定多个行的第一多个光波导；
限定多个列的第二多个光波导，其中，第一多个光波导和第二多个光波导被覆盖以限定多个交叉点；
多个波导耦合元件，每个波导耦合元件位于第一多个光波导中的一个光波导与第二多个光波导中的一个光波导的相应交叉点附近，每个波导耦合元件具有相应的光耦合到波导耦合元件的调制元件，
其中，每个波导耦合元件被布置为耦合来自第一多个光波导中的相邻一个光波导的光，并且将光耦合到第二多个光波导中的相邻一个光波导中，其中，波导耦合元件的透射特性响应于耦合到波导耦合元件上的调制元件的状态。
该装置可以包括布置在第二多个光波导的输出处的一个或多个检测器。
第一多个光波导可以横向于第二多个光波导。
第一多个光波导中的每个光波导可以与第二多个波导中的每个光波导交叉。
邻近第一多个波导中的每个波导的耦合波导可以被配置为接收由相应的波导携带的等比例的信号。邻近第二多个波导中的每个波导的耦合波导可以被配置为接收由相应的波导携带的等比例的信号。
该装置可以包括多个电阻元件，每个电阻元件位于相应的调制元件附近。该装置可以包括电信号发生器。电信号发生器可以被布置为向电阻元件提供电流脉冲。调制元件可以各自包括相变材料。由于电阻元件中生成的热，电流脉冲可以调整相变材料的状态。
波导耦合元件可以被掺杂。电信号发生器可以被布置为向掺杂的波导耦合元件提供电流脉冲，以因在掺杂的波导耦合元件中生成的热而调整相变材料的状态。
该装置可以被布置为接收在多个输入光脉冲的强度中编码的输入向量，其中，第一多个光波导中的每个光波导接收相应的输入光脉冲。输入光脉冲可以具有不同的光波长。输入光脉冲可以都具有相同的光波长。
调制元件的状态可以编码乘以输入向量的矩阵的矩阵元素，其中，每个调制元件编码乘以输入向量的矩阵的一个元素。
该装置可以被布置为确定由输入向量与矩阵的乘法得到的输出向量。输出向量的分量可以被编码在第二多个光波导的输出光强度中。
任何方面的特征(包括可选特征)可以适当地与任何其他方面的特征组合。
具体实施方式
现在将参考附图纯粹通过示例的方式描述示例实施方式，其中：
图1是基于GST的光子存储单元的示意图，其中，光信号用于写入和读取耦合到波导的调制元件的状态两者；
图2示意性地示出了根据实施方式的两个标量数字a和b的乘法以产生乘积c；
图3示出了使用写入脉冲调整相变材料调制元件的状态，以及波导透射的随之变化；
图4示出了调制元件的状态如何调制输出脉冲；
图5是示出具有不同持续时间写入脉冲(在固定功率下)的波导透射的变化的曲线图；
图6是示出不同写入信号的曲线图：用于非晶化初始结晶材料；将非结晶材料复位为完全结晶状态；以及将材料从非结晶状态部分复位为部分结晶状态；
图7是示出写入脉冲能量与重结晶量之间的关系的曲线图；
图8是示出用于从非结晶状态到结晶状态的编程误差的直方图；
图9是示出在增加调制元件中非结晶材料的量的写入脉冲和增加调制元件中结晶材料的量的复位脉冲期间透射随时间的变化的曲线图；
图10是示出改变将调制元件转换为非结晶状态的写入脉冲与将调制元件返回到结晶状态的后续擦除脉冲之间的时间延迟的效应的曲线图；
图11是来自图10的最大透射与时间延迟的曲线图；
图12是示出两个写入脉冲之间的透射变化与时间延迟之间的关系的曲线图，每个写入脉冲具有不足以自身引起状态变化的能量；
图13是示出写入脉冲的能量与透射光强度的结果变化之间的关系的曲线图；
图14是示出具有13个不同的透射水平的根据实施方式的装置的多级调节的曲线图；
图15是示出波导的编程透射水平与实际透射水平的误差的直方图；
图16是示出透射水平随时间没有漂移的一组三个曲线图；
图17是示出用于写入和读取的输入脉冲能量以及对应的测量能量(通过波导存储单元和光栅耦合器)的曲线图；
图18是示出三个示例乘法的曲线图；
图19是示出429个示例乘法的曲线图，其中，测量结果相对于预期结果进行绘图；
图20是示出图19所示的乘法中的误差的分布的直方图，其中，插图示出了根据第一值和第二值的值的误差；
图21是用于组合两次乘法的结果的第一波导和第二波导的显微照片；
图22是包括8个调制元件的装置的示意图，该装置可以用于确定8个元素向量和N×8矩阵的乘积；
图23是示出使用在不同方向上传播通过调制元件的写入信号来调整调制元件的状态的示意图；
图24是可由一个以上波导寻址的调制元件的示意图，其中，六个横向波导用于调整调制元件不同区域的状态；
图25是用于装置的3D堆叠架构的示意图，其中，在堆叠波导之间共享调制元件；
图26是定时信号和2位数字信号的每个排列的示意图；
图27、图28和图29分别示出了针对520mA、525mA和530mA激光电流，由图26所示的每个排列产生的透射水平；
图30示出了包括具有调制元件的波导和参考波导(不具有调制元件)的示例装置，该波导具有公共输入光栅耦合器；
图31示出了仿真结果，将波印廷向量(Poynting vector)的幅度绘制为波导上的阴影图，其中，调制元件为非结晶状态和结晶状态；
图32是示出(顶部)针对低、中和高水平读取信号在写入脉冲之后温度随时间的变化的一对曲线图；以及(底部)随时间的相应结晶分数；
图33是示出写入信号脉冲能量与透射变化之间的关系的曲线图；
图34是示出使用低功率读取信号进行非易失性操作的9个编程水平的曲线图；
图35是示出针对高功率读取信号的透射的最大变化与写入信号脉冲能量之间的关系的曲线图；
图36是示出使用高功率读取信号的易失性操作的曲线图，其中，每个写入脉冲导致非结晶的短持续时间(或尖峰)，该非结晶很快被读取信号重结晶；
图37是针对在将材料置于非结晶状态的初始写入脉冲之后的装置的(对数标度)时间相关透射的曲线，具有用于读取信号功率的范围的迹线；
图38是示出恢复时间与读取信号/探针功率之间的关系的曲线；
图39是针对在将材料置于非结晶状态的初始写入脉冲之后的装置的(线性标度)时间相关透射的曲线，具有用于读取信号功率的范围的迹线；
图40是示出透射的最大变化与一对亚阈值写入脉冲之间的时间延迟之间的关系的曲线图，具有用于1.52mW的读取信号功率和2.37mW的读取信号功率的迹线；
图41是针对四组不同写入脉冲的(通过波导透射之后的读取信号的)测量输出光功率随时间的曲线图，对应于：无延迟、25ns延迟、50ns延迟和100ns延迟；
图42是示出针对具有变化的相对延迟量的脉冲序列的透射随时间的变化的曲线的曲线图；
图43示意性地示出了用于确定向量与矩阵的乘法的装置；
图44示意性地示出了光学调整图43的装置的调制元件的方式；以及
图45示意性地示出了具有用作加热器的掺杂的波导耦合元件的图43和图44的装置的一部分。
图1示出了包括波导101和调制元件102的装置100。调制元件102光(近场)耦合到波导101，使得由波导101携带的光信号与调制元件102相互作用。
调制元件102可以包括可在不同状态之间切换的任何材料，每个不同状态对应于调制元件的不同光学性质。优选地，调制元件102包括相变材料，诸如GST。调制元件102可以包括进一步的封装层，该封装层可以包括ITO，例如以保护PCM层免受氧化。
波导101可以是但不限于平面波导，例如肋形波导。波导101包括能够将写入光信号(或脉冲)103携带到调制元件102以便调整调制元件102的状态的芯材料。通常，用于波导芯的合适材料可以具有至少1eV的带隙。
用于波导101的芯的合适材料的一个示例是氮化硅。可选材料包括硅、氮化镓、砷化镓、金刚石(单晶或多晶)和氧化镁，但是带隙大于1eV的任何材料都可能是合适的。波导芯可以包括绝缘材料或半导体。
可以在波导芯101周围使用空气包层。在可选实施方式中，可以使用其他材料。固相包层材料可以用于减小调制元件102的热时间常数。
光波导101的透射特性可以由通过波导101透射读取信号(或光脉冲)104，并且监测通过波导101透射(或从波导101反射)的读取信号的量来推断。
调制元件102的状态能通过通过波导101携带的写入光脉冲103调整。写入脉冲103可以在第一端口115或第二端口116处输入到波导。写入脉冲103的渐逝耦合导致调制元件102吸收光功率。写入脉冲103对调制元件102的随后加热可以改变调制元件102的状态。由于调制元件102光耦合到波导101，调制元件102的光学性质的变化导致光波导101的透射、反射或吸收特性的变化。
写入脉冲中的信息由此可以映射到调制元件102的状态，调制元件102的状态进而限定波导101的透射特性。
在图1的示例中，写入脉冲具有波长λ＝1590nm，并且读取脉冲具有波长λ＝1598nm。调制元件的长度(沿着光通过波导101的传播方向)为1μm或2μm。波导的宽度为1.3μm，并且波导的高度为h＝165nm(从330nm厚的Si3N4层向下蚀刻)。也可以使用波导和调制元件的其他几何形状-这仅仅是一个示例。
可选地，或者除了使用如上所述的光写入脉冲之外，调制元件102的状态可以通过施加到波导101或施加到调制元件附近的单独的电阻元件的电写入信号来调整。例如，波导芯(例如硅)可以被掺杂。以这种方式，掺杂的波导可以通过施加电流脉冲形式的写入信号通过掺杂的波导来充当加热器元件。电流脉冲导致掺杂的波导中的焦耳/电阻加热。在掺杂的波导中生成的热还将导致相邻调制元件的加热，其可以用于以与以上参考光写入脉冲描述的方式类似的方式改变调制元件的状态。作为进一步的可选方案，代替掺杂的波导或除了掺杂的波导之外，单独的电阻元件可以用作加热器元件。例如，可以在调制元件上方的金属层中形成电阻元件。电流脉冲可以由受控制器控制的电信号发生器生成。电阻元件或掺杂的波导中生成的热可以例如基于递送到波导/电阻元件的电脉冲能量如何影响调制元件的状态的先前校准，用于将调制元件的相变材料非晶化或晶化预定量。
更详细地(其不旨在限制本公开)，制造装置100的一种方法是从沉积在硅晶片上的3.3μm SiO2层上的330nm Si3N4开始。光刻工具可以用于写入光子电路，随后是回流处理(例如，100℃下90s)。这些原型装置使用JEOL JBX-5500ZD 50kV电子束，但是也可以使用步进器或接触式对准器。使用MaN-2403负性抗蚀剂制作这些示例，但是也可以使用其他抗蚀剂。在抗蚀剂显影和回流之后，在CHF3/Ar/O2中进行反应离子蚀刻(RIE)以蚀刻165nm的Si3N4，并且因此获得裸光子装置。使用利用聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)的第二光刻写入步骤、随后的剥离处理来图案化相变材料。使用RF溅射系统(Nordiko)在氩气环境中沉积具有10nm ITO盖层(以避免氧化)的10nm GST的堆叠。在测量之前，GST在250℃退火5分钟后在热板上结晶。
以GST为例，调制元件可以通过在150℃以上的温度下从非结晶状态退火而结晶，或者通过在约600℃以上的温度下快速淬火而从结晶状态非晶化。大多数相变材料(包括GST)在可见光和近红外波长范围内具有不可忽略的虚折射率，根据材料的相位，光以不同的量衰减，这引起可微分的透射信号，因此在其中编码信息。
如图3所示，调制元件102的初始状态110可以是晶体(例如，在将调制元件102复位到该状态的写入脉冲103之后)。后续的写入脉冲103可以被布置为将调制元件102非晶化到具有非晶化的子区域106的状态111。非晶化子区域的尺寸将取决于写入脉冲103的功率。
我们可以定义写入脉冲能量PWrite>ETh>EPin，其中，ETh是使相变材料部分非晶化的阈值能量。调制元件102中非结晶材料的比例越大，波导101变得越透射。
在本文给出的实验示例中，采用了反向传播写入和读取脉冲测量配置(如图1所示)。写入脉冲用于控制GST的相位配置，而连续波(CW)读取光信号用于读出调制元件102的透射状态。读取信号104采用足够低的能量/功率，使得调制元件102的状态不被读取信号104修改。通过控制泵脉冲的功率来写入(非晶化)到任何更高透射水平，由于非结晶GST与结晶GST之间的混合达到了多个和非易失性的透射水平。为了擦除(重结晶)，可以使用两种方法：i)一系列能量递减的脉冲；或ii)单个多步脉冲(例如两步)。可以从任何其他开始达到任何水平(即从完全结晶到完全非结晶)，并且水平的数量受GST单元的几何形状和检测布置的可用信噪比的限制。
图2表示要相乘的两个数字a和b。使用写入脉冲103将数字a映射到波导101的透射性质T，该写入脉冲103使调制元件102的区域106的非晶化，使剩余区域107处于结晶状态。写入脉冲PWrite的能量与波导101的透射T具有基本线性的映射。读取信号104与波导的透射T成反比地衰减，从而产生对应于写入信号103和读取信号104的乘法的输出信号105。输出脉冲Pout＝(PWrite)×Pin是将被乘数a映射到T并将乘数b映射到Pin的乘法的结果。这样的处理比如常规电子实现中通过顺序加法进行的乘法的处理更有效。
在图4中示出了该过程，其示出了在恒定功率水平Pin处的读取脉冲104与第一写入信号和第二写入信号的乘法。第一写入信号是完全非结晶调制元件102的高功率写入信号，导致波导的最大透射112Tmax。第二写入信号是低功率写入信号，导致调制元件保持完全结晶，对应于波导101的最小透射113Tmin。由读取脉冲104与第一写入信号的乘法得到的输出信号105高于由读取脉冲104与第二写入信号的乘法得到的输出信号105。
为了降低能量消耗并提高操作速度，探索了示例装置的操作参数。在保持恒定功率的同时改变写入脉冲持续时间以达到不同的透射水平。图5示出了对于1μm长的调制元件获得的结果。透射变化ΔT根据脉冲持续时间被绘制为系列132，并且对应于每个脉冲持续时间的能量被绘制为系列131。
对于持续时间长于45ns的脉冲，由于调制元件102的有限尺寸而存在饱和，其中，在不使用较高功率的情况下不能获得更多的非结晶材料。因此，较长的脉冲表示能量的浪费，因为调制元件102将不会进一步非晶化，并且甚至可能被烧蚀。从这些结果中，还可以观察到，25ns的脉冲诱发的变化相当于最大可实现透射的75％，这是状态之间的最大对比度与减小切换能量之间的良好平衡。更长的调制元件102需要更大的脉冲宽度以达到饱和，因为将有更大的区域要非晶化。据发现，对于在1μm与4μm之间长的GST调制元件，25ns的脉冲足以实现水平之间的清楚透射对比度，仅受测量的SNR的限制。
通过使用不间断擦除信号将非结晶元素从任意水平返回到(基线)完全结晶状态，可以进一步降低能量消耗。这可以通过使用两步脉冲来实现。
图6示出了一些不同的写入信号。写入信号103a是短持续时间(在该示例中为35ns)的单水平信号，用于从结晶状态90转换为更多(或完全)非结晶状态95。擦除信号109是一种写入信号，其旨在使调制元件返回完全结晶(基线)状态。擦除信号109包括两步脉冲，包括具有第一功率水平和短持续时间(例如35ns)的第一步，在该第一步中，材料非结晶，以及具有较低功率水平和较长持续时间(例如100ns)的第二步，在该第二步中，材料结晶。写入信号103b也是两步脉冲，包括具有第一功率水平和短持续时间(例如35ns)的第一步，在该第一步中，材料非结晶，以及具有较低功率水平和较长持续时间(例如100ns)的第二步，在该第二步中，材料结晶。写入信号优选地包括第一步与第二步之间的任何时间间隔。选择第一步以使材料非晶化。选择第二步以使材料以对应于第二步的功率水平量结晶。以这种方式，可以使用脉冲写入信号在结晶状态与完全非结晶状态之间改变调制元件的状态。
图7示出了根据从完全非结晶状态的透射变化的用于重结晶的两步写入脉冲的第二重结晶部分的能量之间的关系。与重结晶过程相关联的误差在对重结晶能量的灵敏度最高的中间水平处最大，但是观察到通常的线性关系，较高能量的写入脉冲(对应于第二步中的较高功率)导致更多的状态转换。图8示出了从非结晶状态到不同程度的结晶度的编程水平的误差。该误差限制了可以精确编程的水平的数量。
图9示出了用于非晶化的短持续时间脉冲和用于使调制元件更结晶的示例两步脉冲两者。示出了写入信号(在传播通过波导101之后)的测量的输出功率的曲线144，以及示出透射变化ΔT(相对于基线完全结晶状态)的曲线141。在t＝-100ns处，调制元件是完全结晶的。在t＝0ns处，窄高功率(约14mW输入功率，对应于传播之后检测到的大约5.5mW)写入脉冲143a(约25ns)用于使调制元件102非晶化。透射的初始下降可以归因于自由载流子吸收，随后一旦窄脉冲完成，透射就会急剧增加。非结晶写入脉冲之后透射增加的速率取决于热平衡的速率-当达到平衡时吸收降低。
在t＝300ns处，开始两步擦除/重结晶脉冲。该两步脉冲包括第一高功率(约14mW)、短持续时间(约25ns)步，其使调制元件102非晶化。然后，脉冲切换到具有较低功率和较长持续时间(约5.5mW，大约是第一步的0.4倍)的第二步，在此期间，调制元件102中发生结晶过程(当其保持在150℃<T<600℃)。第二步是足够高的功率以防止快速淬火。在该示例中，第二步的持续时间和功率足够长(约100ns)以使调制元件返回基线状态。该两步脉冲的总切换能量大约为577.4pJ。
该单个两步脉冲可以替代在现有技术中使用的19个单独的100ns脉冲方案(Ríos,C.et al.Integrated all-photonic non-volatile multi-level memory.Nat.Photonics9,725–732(2015))，其中，擦除序列的每个单独脉冲的切换能量范围为370pJ到600pJ的，总共大约为9.5nJ，并且持续时间为3.8μs(从最高透射水平擦除到最低透射水平)。因此，这里例示的两步法在能量方面提高了100多倍，并且在速度方面提高了25倍。
在写入/擦除周期的操作速度方面，可以在图9中观察到，大约需要200ns(包括脉冲持续时间)来获得用于写入脉冲和擦除脉冲两者的稳定透射水平。然而，该时间随着脉冲宽度而变化：脉冲越短，材料冷却和折射率稳定所需的时间越短，其时间尺度受热光效应支配。利用200ns的脉冲间隔并考虑擦除脉冲的冷却时间，即使写入脉冲与擦除脉冲之间的时间间隔对水平转换的影响尚未优化，装置也可以在2.5MHz下操作。
图10示出了改变转换为非结晶状态的写入脉冲与使元件返回结晶状态的后续擦除脉冲之间的时间延迟的效应。图11绘制了来自图10的曲线图的最大(归一化)透射。约200ns或250ns的延迟足以使调制元件的透射在其稳定状态值饱和(由于热光效应)。
通过将脉冲宽度减小到甚至更短的时间，尤其是可以是皮秒或甚至飞秒脉冲的写入脉冲，从而减少两个脉冲之间的死区时间，可以实现速度和能量方面的进一步改进。
短于热平衡所需的脉冲之间的延迟(在该示例中，小于约250ns可以用于相关。例如，如果切换阈值(引起非晶化所需的能量)以下的脉冲在时间上足够接近，则它们仍可以改变装置的状态。在图12中示出了该效应，其中，当脉冲之间的时间延迟为25ns或更小时，能量太小而不足以引起状态变化的一对写入脉冲确实会引起透射的变化。
图13示出了写入脉冲能量151与用于图14所示的多级调节(从结晶基线状态转换为具有短写入脉冲的更非结晶状态)的能量之间的关系。示出了显著的线性响应-线性拟合152对应于数据151。对于大能量，线性度由于饱和而受损，这意味着调制元件102处于其最非结晶状态。可以在图13中在大于210pJ的写入能量下观察到这种饱和的开始。在这些实验中使用了2μm长的调制元件。
图14示出了根据实施方式的装置的操作，其中，随机地写入(和读取)13个可清楚区分的水平。水平的数量仅受SNR和置信区间的限制。曲线161示出了当将不同水平写入调制元件时透射率ΔT随时间的变化。
图15示出了作为误差直方图的编程水平的误差分布(预期ΔT-实际ΔT)。为了研究达到编程透射水平时的误差，使用写入脉冲和擦除脉冲的组合来在20个连续序列中达到10个不同的透射水平。该实验重复了三次。在图15中绘制了从原始编程水平减去特定转换之后的实际透射水平的结果。在调节过程期间经过几个切换周期之后，编程水平被视为平均水平。平均误差非常小(约10-16)，并且误差的标准偏差为0.35。可以建立用于每个透射水平的置信区间，使得每个水平被唯一地区分。编程状态之间的透射水平的最小差异由SNR确定，但是也由于电光转换中的波动引起的泵脉冲功率的变化确定。图15示出了误差数据157的直方图和拟合到该数据的正态分布156。
图16示出了高达104s的测量持续时间的透射迹线，从而证明了编程透射水平的稳定性和低水平的光漂移。在两个2μm的GST调制元件中写入和擦除任意顺序的透射水平。随后，装置被保持在中间透射水平持续较长的时间段。图16a)示出了使用具有在350pJ至600pJ范围内的能量的50ns脉冲来写入(向上转换)并且使用一系列功率降低的脉冲来擦除(向下转换)的单元的多级操作下的测量的透射171。高亮区域172对应于具有0.1mW的CW读取信号(在波导内部)的约8.5h的恒定测量。在长周期之后测量到的透射水平与之前测量到的透射水平相同。
图16b)示出了与图16a)类似的测量，其中，迹线173示出了在多级操作期间的测量的透射。在图16b)中，高亮区域174对应于将读取信号关闭约1.5h。在4600s与4800s之间观察到漂移，该漂移通过发送存储器原始设置的水平的脉冲能量来校正。
图16c)示出了同样包括2μm长的GST调制元件的不同装置(图16a和图10b))的多级操作。写入信号是具有在200pJ至360pJ范围内的能量的25ns脉冲。以与图16a和图16b)相同的方式进行写入步骤和擦除步骤。在高亮区域176期间，读取信号关闭约2h。在该情况下，CW读取信号功率减小到0.05mW，这足以避免漂移。
观察到样品台的机械漂移是由于微电机随时间推移将装置保持在光学对准的弛豫。然而，一旦芯片被放置在稳定位置，对于探针保持开启的情况，透射水平保持与之前相同。对于高达104s的恒定测量没有观察到可测量的漂移，该性质可能归因于这样一个事实，即比非晶态更稳定的结晶相确定并支配光吸收。这种无漂移过程表示光子内存计算优于其电气模拟的一个大优点，该电气模拟随着时间经历非常显著的电阻漂移，从而防止(或至少使其非常困难)实现可靠的水平。此外，在测量之后检索到相同的具体透射水平：随着时间的推移还保留了多级调节。
对于当读取信号关闭时的情况，一旦读取信号再次打开，观察到接近9％的漂移。该漂移是由于移除探针时材料的弛豫引起的，假定探针本身将材料加热到恒定的温度，从而引起改变复杂折射率的值而不使材料结晶的热光效应。一旦打开读取信号，保持多级调节。再次可以施加相同的写入信号以返回到最初准备存储器的相同水平。可以通过简单地在不主动读取(例如，0.05mW，其为主动读取信号功率的一半)时以低功率保持读取信号打开来避免漂移。利用该连续的低功率信号，材料弛豫是可忽略的，如图16c)所示。
图17示出了输入脉冲能量与相应测量的能量(在波导和光栅耦合器之后测量)之间的关系。如图13所示，图17中的测量181、182是在多级调节的透射基线中使用波导进行的。线183标记到脉冲能量的转换，该脉冲能量诱导切换到部分非结晶状态(在写入特定非结晶状态之后，在下一个脉冲之前再次将存储器向下擦除到晶体基线)。
图18示出了乘法a×b＝c，其中，a,b,c∈{0,1}。使用具有2μm长的GST调制元件和上述单次写入和擦除方案的相同的装置。被乘数a被映射到波导的透射率T＝ΔT+T0，其中，ΔT对应于透射的变化，该变化是PWrite脉冲的线性函数(如图7所示)，并且T0是基线透射水平(完全结晶)。随后，乘数b被映射到第二脉冲Pin的能量。乘法的结果是从这后一个脉冲的输出计算的，该输出相当于Pout＝T×Pin。通过调谐EOM处的脉冲功率，以上述方式生成PWrite和Pin两者(参见材料和方法)。
图17示出了用于被乘数a和乘数b的输入脉冲能量，突出了引起相位切换的能量。测量的能量对应于传播经过GST单元并通过一个光栅耦合器之后的输出脉冲能量。在这些演示中，PWrite∈{180,354}pJ或等价地，T∈{0,0.143}(参见图7)，以及Pin∈{0,112.8}pJ。图17所示的存储装置的线性响应是显著的，并且允许轻松地将标量映射到脉冲能量，而无需依赖于拟合函数。
图18示出了三个乘法，绘制了随时间测量的Pin值191、192、193和测量的Pout值195、196、197。脉冲之间的时间延迟是由于基准脉冲与耦合到光子芯片中的脉冲之间的光路差异引起的，两者都是使用90/10分束器从泵脉冲获得的。
在第一乘法中，通过354pJ写入信号(对应于a＝1)将调制元件102设置为最大透射水平T＝0.143。在0<t<35ns(对应于b＝1)处具有P1 in＝112.8pJ的读取脉冲191与写入信号相乘，从而导致在35<t<70ns处具有大约10pJ的值(对应于c＝1)的输出脉冲195Pout。
在第二乘法中，通过180pJ写入信号(对应于a＝0)将调制元件102设置为最小透射水平T＝0。在0<t<35ns(对应于b＝1)处具有P1 in＝112.8pJ的读取脉冲192与写入信号相乘，从而导致在35<t<70ns处具有大约8.5pJ的值(对应于c＝0)的输出脉冲196Pout。当乘以T＝0时的结果对应于水平特定的偏移。
在第三乘法中，通过354pJ写入信号(对应于a＝1)将调制元件102设置为最大透射水平T＝0.143。在0<t<35ns(对应于b＝0.4)处具有P2 in＝38.9pJ的读取脉冲193与写入信号相乘，从而导致在35<t<70ns处具有大约3.5pJ的值(对应于c＝0.4)的输出脉冲197Pout。
在图18中，可以观察到输出功率Pout具有不同的能量，其可以被测量并且然后被重新缩放以获得三个相应乘法的结果：1×0＝0、1×1＝1和1×0.4＝0.4。注意，对应于0.4的三个透射水平中的最低透射水平实际上小于用于0的水平。这是由于以下事实，即使在完全结晶状态下，GST即使在低透射状态下也不会吸收来自读取信号的所有光(除非使用更长的调制元件来增加光衰减)。因此，存在由水平基线T0给定的偏移，必须从每次乘法中减去该偏移，以使得能够对c∈{0,1}结果进行精确的线性重新缩放。
图19示出了429个c＝a×b乘法绘制为散点序列200。这些是使用针对T(利用PWrite∈{180,354}pJ达到)的13个不同的、等距的值获得的，从而创建用于被乘数a的13个值，并且使用针对Pin∈{0,112.8}pJ的33个不同的值获得的，从而创建对应于b的33个标量。在再次改变水平之前，首先发送PWrite，以建立透射水平T，随后是33个Pin脉冲。基于输入参数a和b的映射，相对于c的精确值绘制c的测量值(从Pout信号推断)。精确值是从在装置的表征期间获得的线性拟合和随后针对被乘数和乘数(a和b)两者映射到{0，1}来计算的。测量值对应于输出脉冲能量的平均值、校正偏移、并归一化到{0，1}。
图20是图19所示的乘法的误差的直方图210，其中，插图220图示出误差与a和b之间的关系。直方图上的线212对应于数据211的正态分布拟合，该正态分布具有平均值＝0.0016和标准偏差0.023。误差根据a和b值近似线性增长，这解释了对于接近1的c值Pout的扩展。
尽管乘法的结果由于诸如T值的波动的因素而不准确，但是如以上图15所示，这种乘法运算已经证明在诸如机器学***的非易失性意味着被乘数是固定的，直到下一个脉冲激励改变其状态。在包括几个标量乘法单元的体系结构中，可以利用这种性质来计算矩阵向量乘法或使用迭代Krylov子空间方法(诸如共轭梯度法或广义最小残差法)来找到线性方程组的解。它们也可以用于深度神经网络训练期间的前向和后向传播。使用这样的方法，输入矩阵A可以被映射到光子存储单元，并且使用迭代算法计算具有A∈RN×N和b，x∈RN的Ax＝b的解x。
本公开提供了使用相变光子内存计算的两个标量数的乘法的概念证明。这可以使用两个光信号的相互作用来实现，每个光信号表示要与近场耦合到光子波导的调制元件相乘的数-一个光信号具有切换阈值以上的能量，而另一个光信号具有切换阈值以下的能量。这样的装置可以具有基本上线性的响应，这有助于避免对拟合功能的需要(与伪欧姆电相变存储装置相比)。此外，公开了一种擦除机制，其中，仅需要单个脉冲；与现有技术中使用的能量递减脉冲序列相比。这是一个重要的进步，因为擦除操作的持续时间因此可以从微秒减少到约100ns，并且从高达数十nJ的总能量减少到亚nJ区域。此外，已经证实，当增加泵脉冲的持续时间(具有固定功率)时，透射的变化饱和；通过优化脉冲长度，已经证明了在包括1μm和2μm长的GST调制元件的存储单元中，单个25ns脉冲足以达到与完全结晶(基线)状态可区分的水平。已经示出，根据实施方式的装置可以在高达104s的时间内具有可忽略的透射波动，并且SNR、实现编程水平的误差以及噪声最终受到系统中使用的读出电子设备的质量的限制。这些结果证实了光子硬件计算范式中相变材料的潜力。尽管存在很大的改进空间，但是本文所公开的能力有希望用于全光非易失性数据存储、全光和电光开关以及用于利用并置的存储器和处理执行光学计算任务。
测量设置
在以上讨论的结果中，所有光读取、写入和擦除信号都在波导内被引导。为了避免干扰，采用两个不同的C+L CW可调谐激光光源，分别为读取信号和擦除/写入信号选择1598nm(TSL-550，Santec)和1590nm(N7711A，Keysight)的波长。随后利用电光调制器(朗讯科技公司(Lucent Technologies)，2623NA)生成擦除/写入脉冲以及被乘数脉冲，该电光调制器由100MHz电脉冲发生器(AFG 3102C，Tektronix)控制。该脉冲由低噪声掺铒光纤放大器(AEDFA-CL-23，Amonics)进一步功率放大。使用集成光栅耦合器将擦除/写入脉冲和读取信号两者耦合到光子装置中，该集成光栅耦合器具有在1598nm处的透射峰值和约20％的耦合效率。使用反向传播方案(其中，擦除/写入信号在与读取信号相反的方向上传播)来简化信号的分离。可调谐滤光器(OTF-320，Santec)被引入到光线路以进一步抑制由反射引起的噪声。在装置的一个输出处，使用90/10分束器将CW读取信号分成两束，以分别利用200kHz低噪声光接收器(NewFocus，2011)和125MHz光电检测器(NewFocus，1811)来测量时间分辨和长期透射。在另一个输出处，使用1GHz光电检测器(NewFocus，1611)监测透射的脉冲。
图21示出了包括第一波导101a和第二波导101b的装置。第一输入光栅耦合器301a耦合到第一波导101a的第一端，并且第二输入光栅耦合器301b耦合到第二波导101b的第一端。输出光栅耦合器302耦合到第一波导101a和第二波导101b两者的第二端。每个波导101a、101b分别包括GST调制元件102a、102b。该装置可以用于组合两个乘法的结果，例如以近似矩阵与向量的乘法。
例如，第一波导可以用于将a(编码为第一波导的透射状态的写入信号)和b(由第一波导的透射状态调制的读取信号)相乘。第二波导可以以类似的方式用于将c(编码为第二波导的透射状态的写入信号)和d(由第二波导的透射状态调制的读取信号)相乘。第一波导和第二波导的乘法的结果将在输出光栅耦合处组合，以给出a×b+c×d。使用相同的读取信号b和d的第二装置可以以类似的方式用于确定f×b+g×d，其中，f和g被编码到第二装置的透射状态。以这种方式，计算：
可以计算(或近似)。
作为使用第二装置的可选方案，可以在不同的时间使用相同的装置来计算输出向量的第一行和第二行。
图22示出了用于确定较高维度矩阵与向量之间的乘法的装置。图22中的装置具有8个输入耦合光栅301和8个相应的调制元件102，并且这些装置中的8个可以用于确定N×8矩阵与1×8向量的乘积。来自每对调制元件102的输出在第一水平组合器108a处组合。来自第一水平组合器108a的输出在相应的第二水平组合器108b处组合。来自第二水平组合器的输出在输出组合器108c处组合。相同的装置可以用于通过将N列中的每一列编码为8个写入脉冲的集合来将确定矩阵的N列中的每一列与向量相乘。可以在不同时间发送/乘以每组脉冲。
以上讨论的示例已经使用了来自单个方向的写入信号，但是也可以使用来自一个以上方向的写入脉冲，从而在调制元件中编码一项以上的信息。这在图23中示出，其中，在第一方向上通过波导101传播的第一写入脉冲P1用于在调制元件102的第一端写入非结晶区域106a，并且在第二相反方向上通过波导101传播的第二写入脉冲P2用于在调制元件102的第二相反端写入非结晶区域106b。
以这种方式，可以使用简单的调制元件来乘以3个或更多的数字，如：
Pout＝PinT(P1)T(P2)
考虑偏移量(T实际上是T+T0)，我们可以写：
Pout＝Pin(T(P1)+To)(T(P2)+T′o)
＝PinT(P1)T(P2)+PinT(P1)T′o+PinT(P2)T′o+PinToT′o
扩展表达式中的第一项对应于三项乘法，而后两项对应于两个乘法的相加。最后一项表示可以移除或用于安全应用的噪声。可以设想在不了解波导的透射偏移的情况下不能被解码的计算。波导可以设计有特定透射偏移，以向该波导提供特定“关键”特性(例如通过调制元件的修整)。
图24示出了该思想的扩展，其中，调制元件102可利用用于携带写入信号1031至103n的一个以上波导寻址，该写入信号1031至103n可利用光信号调整调制元件的状态。在该示例中，存在六个横向波导，用于在横向于读取信号104的传播方向的方向上写入调制元件102。这种多重寻址调制元件可以与执行单独计算的每个区域一起使用，该单独计算由公共读取信号104(基于输出信号105)测量。可选地，根据寻址调制元件102的波导的数量，这种类型的装置可以用于执行许多数量的乘法和加法。这种装置可以在随机计算中用作神经元，其中，非结晶调制元件的每一部分都为给定的任务提供权重。
图25示出了用于装置的3D堆叠结构，其中，第一波导101a和第二波导101b在调制元件102处交叉。调制元件102可以夹在波导芯之间，从而耦合到两者，和/或放置在波导101a、101b中的一个或两个波导的外侧，使得调制元件102的至少一部分不耦合到两个波导101a、101b。
图43示出了用于确定向量与矩阵的乘法并且具体地在该示例中用于确定对应于输入3×1向量与3×3矩阵的乘法的输出向量的装置500。因此，该装置实现计算GxP＝b：
该装置由多个低损耗波导交叉结构组成。在实现3×3矩阵乘法的该示例中，该装置由三个平行的输入行波导502a、502b和502c(分别为行1至3)与三个输出列波导504a、504b和504c(分别为列1至3)交叉组成，该三个输出列波导504a、504b和504c通常垂直于输入波导，但是可以处于任何倾斜角度。
输入向量分量P1、P2和P3被编码在分别引入输入行波导502a、502b和502c的唯一波长λ1、λ2和λ3处的三个光输入脉冲的强度中。
邻近每个波导交叉的是波导耦合元件506。波导耦合元件渐逝地耦合来自相邻的行波导的光强度的一部分，其中，所耦合的部分取决于波导耦合元件的被放置为紧邻相邻的行波导并且大致平行于相邻的行波导延伸的部分的长度。因此，可以在装置的设计和制造阶段准确地设置分数。每个波导耦合元件具有设置在其上的调制元件508，其方式类似于以上参考例如图1描述的方式。调制元件由相变材料组成，例如GST。在实现3×3矩阵的装置中，总共有9个波导耦合元件和9个相关联的调制元件。在调制元件的透射状态中编码矩阵元素Gmn。
在行m和列n的交叉处从行m耦合到波导耦合元件中的光强度的分数由耦合效率ηnm来表征。在行m和列n交叉处从波导耦合元件耦合到列n中的光强度的分数由耦合效率η’nm来表征。通过选择ηnm＝1/3、ηnm＝1/2和ηnm＝1，输入光强度Pm在给定行m上的三个耦合元件之间平均分配。通常，选择耦合效率ηnm，使得：
其中，N是由装置实现的向量变换的维度(例如，对于实现3×3矩阵变换的装置，N＝3)，n索引列号，并且m索引行号。
第一列504a的输出510a用于确定向量元素b1，第二列504b的输出510b用于确定向量元素b2，并且第三列504c的输出510c用于确定向量元素b3。例如，对于图43所示的装置，第一列的光输出将由下式给出：
向量元素b1、b2和b3可以通过分别重新缩放第一列、第二列和第三列的检测到的光输出强度来直接获得，以考虑1/9的公共比例因子。该比例因子可以通过装置的先前表征来确定。在不存在乘以以上等式的每个分量P1、P2和P3的公共比例因子，而是针对每个项的不同比例因子的一般情况下，可以基于装置的先前校准来对每列的输出进行光谱分辨以便将针对每个项的比例因子单独地因子分解出来。这是为什么可能希望使用不同波长来编码向量元素P1、P2和P3的一个原因。
调制元件508可以以本文一般描述的方式光切换或电切换。如果调制元件要光切换，则优选地选择耦合效率η’nm，使得：
其中，m如以前那样索引行号，而η’nm与列索引无关。以这种方式，调制元件可以使用如参考图44所述的重叠光脉冲单独地光学寻址。具体地，在该示例中，每个具有功率P和相同波长的两个输入光写入脉冲520、522被发送到装置中-一个输入光写入脉冲进入行2，并且一个输入光写入脉冲进入列3。脉冲可以具有在从0.5ps至10ps的范围内的持续时间。例如，脉冲可以具有1ps的持续时间。脉冲以相对延迟发送到装置中，使得它们将在要被切换的调制元件内部在时间上重叠。在图44的示例中，要实现矩阵元件G32的调制元件524是光写入脉冲的目标。因为根据以上表达式选择耦合效率η’nm，所以实现矩阵元件G32的调制元件将接收2/3×P，而与行2和列3相关联的其他调制元件将仅接收1/3×P。以这种方式，如果选择P，使得2/3×P高于改变调制元件状态所需的阈值，但是1/3×P低于阈值，则仅实现矩阵元件G32的调制元件将受到光写入脉冲的影响。
如果调制元件被电切换而不是光切换，则可能不必如以上所述选择η’nm。如果使用定向波导耦合元件，则可以针对所有耦合元件选择η’nm＝1，而仍根据以上表达式选择ηnm。以这种方式，当第一列504a的输出510a用于确定向量元素b1时，第一列504a的输出510a将由下式给出：
其中，具有用于第二列和第三列的对应表达式。在这种情况下，与先前示例中的1/9相反，每个分量P1、P2和P3的权重是1/3。定向波导耦合器的使用还可以增加装置的总体效率。
图45示意性地示出了图43和图44的装置的一部分，其被配置用于调制元件的电切换。在图45中，电信号发生器534被配置为提供用于切换波导耦合元件506的调制元件508的电流脉冲。金属层中的电互连器532通过一对通孔530a和530b将所生成的电流脉冲传输到波导耦合元件的掺杂部分536。如上所述，电流脉冲将在掺杂的波导中引起焦耳加热，从而影响调制元件508的状态。在采用电阻元件用作加热器而不是波导耦合元件的掺杂部分的实施方式中，电信号发生器、互连器和通孔的布置可以与图45所示的布置基本相同，其中，电阻元件例如位于金属或多晶硅层中的调制元件附近或上方。
应当理解，参考图43至图45描述的装置可扩展到任意大的矩阵和向量维度。以这种方式，提供了一种用于在光域中执行矩阵向量乘法的可缩放体系结构。
数模转换
类似图1的装置可以用于实现数模转换。
图26示出了基于调制元件的时间灵敏度可以实现这一点的一种方法。在要转换的数字字之前提供定时脉冲221。与定时脉冲的时间接近度对由后续写入脉冲产生的状态调整(例如，从初始结晶状态的非晶化)的量加权。最高有效位231导致更大程度的非晶化，因为先前的定时脉冲已经使调制元件变暖。定时脉冲221与最低有效位之间的时间间隙意味着其导致较小量的状态变化(与其自身的最高有效位相比)。
对于类似已经描述的装置，发现间隔16ns(在前沿之间)的10ns的脉冲导致清楚可区分的透射水平(参考通过波导的CW读取信号的输出功率确定)。
图27示出了520mA的激光电流的透射水平，其由以下项产生：单独的200定时脉冲、201为定时脉冲和01序列、202为定时脉冲和10序列以及203为定时脉冲和11序列。透射率水平与模拟数字0、1、2和3良好匹配。图28和图29分别示出了对于525mA和530mA的激光电流的类似结果。
可调谐易失性
先前给出的示例假设读取信号(其可以是脉冲或CW信号)是足够低的功率，使得其不影响调制元件102的状态，但这不是必须的情况。
在新兴应用中，特别是光子和神经形态计算中，可能期望具有易失性(短期瞬态)和非易失性(长期静态)存储器操作两者，例如以模拟生物神经元和突触的行为。相变材料，特别是硫族化合物、钙钛矿和金属氧化物已经使得反射显示器、全光子存储器和可调谐超材料的最新演示成为可能。在现有技术中(不仅在光子域中，而且甚至在电子域中)尚未证明以易失性和非易失性方式两者操作单一类别的材料。
通过采用诸如硫族化物、金属氧化物、以及甚至硅本身的材料已经证明了光子装置的光学性质的控制。由相变材料(PCM)实现的非易失性、可逆切换是类似可重写光盘、反射显示器和可调谐元表面的技术的基础。这样的转换依赖于发起原子结构的物理重构(例如，非结晶到结晶的转换)，这进而导致光学性质的显著变化。通过使用易失性金属氧化物(诸如VO2)已经实现了易失性光子装置，该金属氧化物在66℃左右提供了半导体到金属的相变，伴随着光学性质的显著变化。尽管类似VO2的材料是易失性可重构光子学的良好候选物，但是更期望能够以易失性和非易失性方式两者选择性地操作的装置。显示两种行为并在正确条件下操作的单个装置可以同时用于数据存储和计算-本质上具有模拟哺乳动物大脑的能力，这需要短期可塑性(STP)和长期增强(LTP)两者。
应当理解，LTP对于长期存储是至关重要的，而STP对于信息(诸如过滤和相关检测)的时间处理是必要的。已经在电域中使用人工神经网络中的PCM存储单元通过模拟漏泄的“积分-激发”神经元来实现存储和计算。
在本公开中，示出了参考图1描述的类型的具有耦合到光波导的调制元件的装置还可以被配置为通过使用较高功率的光读取信号来显示可调谐易失性。因此，可以实现单个集成光子装置中的非易失性多级存储和易失性计算相关检测两者。
合适装置的一个示例包括1μm长的调制元件102(图1中的LGST)，该调制元件102包括由10nm的铟锡氧化物(ITO)层覆盖的GST。调制元件102设置在Si3N4光子波导101的顶部(如图1中示意性所示)。ITO覆盖层钝化GST并防止氧化。
图30示出了具有第一波导101b和第二波导101c的装置。第一波导101b具有设置在其上的调制元件102b，并且被配置为使得在第一波导101b中传播的光被光耦合到调制元件102b(如以上已经描述的)。第二波导101c是参考波导，并且不包括调制元件。设置中心输入光栅301，其将输入光分成两个波导101b、101c。
第二参考波导101c允许确定第一波导101b和两个光栅耦合器(301和302b或者302和302c)的总透射，而没有来自调制元件102b的吸收损耗。图24包括调制元件102b的***放大光学图像(以横向于Si3N4波导101a的GST带的形式)。为了优化光模式与调制元件102b之间的相互作用，样品装置在250℃下退火10分钟以使调制元件102的GST结晶，这增加了光吸收。光脉冲(例如50ns或更小)可以用于在其非结晶(低吸收)状态和结晶(高吸收)状态之间切换材料(如本文已经详细讨论的)。
图31示出了当调制元件/GST带101处于非结晶状态和结晶状态时通过计算通过波导101的光透射的有限差分时域(FDTD)模拟获得的结果。图31示出了在GST带的区域(由虚线限定的边缘)中通过波导101(由实线限定的边缘)的x方向上的功率流的俯视图。归一化的波印廷向量的大小由阴影表示。
非结晶和结晶GST的所得透射分别为96.2％和46.5％。尽管这将理想地给出超过100％的透射的相对变化，但是实际上，由于横向方向上的非均匀模式分布，利用用于本文原理证明的示例实施方式不可能在光模式可及范围内使GST的整个区域非晶化。这使调制元件/GST 102的中心在材料温度超过熔化温度(Tm)的区域中非晶化。增加波导101中的光功率将增加非晶化的面积，但是如果GST/调制元件102的中心处的温度超过损伤阈值，则材料可能经历不可逆的变化(例如烧蚀)。这在1μm长的装置(图1中的LGST)中将相对透射的最大可达变化限制在约20％，但是利用具有更宽的GST带的装置(即在传播方向上测量的较长的调制元件)可以实现更大的对比度。
图32示出了从结晶状态开始的GST的热动力学。第一曲线图(顶部)示出了调制元件102的温度随时间的变化，并且第二曲线图示出了相应的结晶分数，其中，1表示结晶状态。示出了对应于低功率读取信号401、411，中功率读取信号402、412和高功率读取信号403、413的曲线。每个曲线401至403和411至413示出了调制元件在写入脉冲(图26中的区域405)之后的响应。写入脉冲遇到晶体GST，并且至少部分地被吸收，这快速地升高了材料的温度。如果脉冲能量足够高，则GST的温度将在脉冲持续时间期间超过Tm，并且在玻璃化转换温度(Tg)以下快速猝灭，使受影响区域的GST处于非结晶状态。
如果使用光读取信号(或探测信号)来读出材料的状态，则根据GST调制元件102的透射，一些读取信号也将被吸收并转换为热。对于低功率探针，可以以不影响材料的物理状态的方式读取调制元件102的透射状态-这对应于迹线401和411-低功率读取信号。这种读取方法导致先前已经报道的非易失性存储效应，这对于存储具有10年以上的保留时间的长期数据是有用的。
然而，对于中功率读取信号/探针，所吸收的光功率可以将GST加热到Tg附近或以上，这导致在初始写入脉冲405之后发生重结晶，如迹线402、412所示。由于CW读取信号产生的加热，这里的调制元件在升高的温度下开始。在连续施加的中等功率的读取信号的情况下，调制元件102的状态是易失性的，保留时间非线性地取决于读取信号的功率和写入信号/脉冲之后GST调制元件102的透射状态。高读取信号功率倾向于导致更快速地返回结晶状态。如果读取信号的功率进一步增加(如迹线403和413所示)，则GST的温度可以在稳定状态期间接近Tm。在高读取信号的情况下，由于读取信号的加热效应，初始结晶分数可以小于1。
为了演示示例装置的易失性和非易失性行为两者，通过改变50ns的固定脉冲持续时间的写入脉冲能量来定义多个透射水平。图33示出了这样的写入信号对以结晶状态开始的GST调制元件的影响。示出了8个清楚的透射水平，加上没有写入脉冲的基线(即ΔT＝0％)，对应于具有9个唯一水平的存储单元。低功率读取信号(初始光栅耦合器301之后的Pread＝510μW)用于实时监测GST调制元件102的状态。图34示出了对应于每个写入脉冲能量的非易失性水平。在类似的装置中已经证明了大于106s的保留时间，并且GST存储单元的材料研究已经估计保留时间超过10年。可获得的水平的数量最终受到光读出的信噪比和可以如何可靠地控制写入信号脉冲能量的限制。
通过将探针功率增加到2.54mW，并发送具有与之前相同的脉冲能量的50ns写入信号来产生易失性行为。图35示出了与图33类似的趋势，但是在275pJ的脉冲能量(对应于47.9pJ的切换能量)附近观察到显著阈值。这可能是由于GST调制元件102被相对高功率读取信号部分非晶化熔化，这降低了光吸收并将写入脉冲的影响减小到一定能量以下。图36示出了与图34所示的读取探针类似的读取探针的实时轨迹，但是由于GST从高功率读取信号重结晶而具有易失性尖峰行为。在每个写入脉冲处，通过调制元件的材料被非晶化来短暂地增加透射，但是在记录光透射中的每个尖峰421之后不久，相对高功率读取信号使调制元件返回结晶状态。
为了进一步确定读取信号功率对示例装置的重结晶动力学的作用，可以在改变读取信号功率的同时固定写入信号脉冲能量。图37以对数标度绘制了示例装置在不同读取信号功率下的归一化的时间相关透射。曲线431至439分别对应于1.29mA、1.47mA、1.65mA、1.84mA、2.02mA、2.21mA、2.39mA、2.57mA、和2.76mA的功率。与前面一样，ΔT＝(T-Tmin)/Tmin，其中，Tmin是当装置处于完全结晶状态时读取信号的透射。在0秒处的初始写入脉冲之后，GST调制元件102处于非结晶状态，ΔT最大，并且温度由于低光吸收而处于最小。然而，读取信号的一部分仍被调制元件102吸收，该调制元件102加热GST材料并使晶体生长以取决于材料温度的速率发生。
随着GST结晶，读取信号的光吸收增加并且正反馈回路驱动材料回到其结晶状态。如果读取信号功率足够高以引起部分熔化，则当GST完全结晶时，稳定状态温度Tsteady state将大于Tmin。这使在稳定状态下ΔT>0，并且这在图37中对于大于1.84mW(即曲线435至439)的探针功率可以观察到。一旦材料完全结晶，读取信号的吸收处于最大值，并且读取信号部分地再熔化GST，直到在Tsteady state和ΔT>0处实现热平衡。
在材料的恢复时间中观察到明显的趋势，我们已经将恢复时间定义为ΔT等于ΔTmax的10％所需的时间量(由图37中的虚线表示)。
图38示出了根据读取信号功率的恢复时间τ的曲线，以指数τ(P)＝Ae-γP的形式示出测量值442和对数据的拟合441，其中，A和γ是拟合参数，并且P是读取信号功率。这些结果示出数据保留时间的光控制超过六个数量级。
为了示出写入脉冲对示例装置的恢复时间的影响，可以固定读取信号功率并且改变写入脉冲能量。图39示出了以这种方式进行测试的结果。最大透射和恢复时间两者都随着写入脉冲能量的减小而减小。这可以通过部分非结晶调制元件与完全非结晶调制元件的光吸收的差异来解释。写入脉冲能量越低，保留在结晶状态的GST的分数越高，导致更高的吸收和更快的恢复时间。在图39中清楚地看到这种趋势，其中，恢复时间和峰值透射两者都随着写入脉冲能量的减小而减小。
以非易失性方式操作包括光控调制元件的光波导的能力可以使用相变转换的非线性性质实现计算。
图40是当由不同时间延迟分开的两个50ns写入脉冲在调制元件处重合时中功率探针和高功率探针的示例装置的峰值响应的曲线。由于功率重叠导致加热超过阈值非晶化温度，小于约40ns的延迟导致透射的变化，而大于约40ns的延迟没有导致透射的变化。
图41示出了具有不同时间延迟的四个单独写入脉冲的测量的光功率。如果我们对光功率进行积分，则我们看到不管两个写入脉冲之间的时间延迟如何，总能量都保持恒定在Epulses＝340±17pJ(切换能量为59±3pJ)。然而，组合的两个写入脉冲的峰值功率确实随着时间延迟的增加而变化。当装置在单个写入脉冲的峰值功率接近但低于使GST非晶化所需的阈值的制式中操作时，不会发生响应。然而，通过重叠两个写入脉冲，峰值功率加倍并且能够引起非晶化，这导致透射增加。这种非线性响应允许我们使用装置的透射来计算两个光脉冲之间的相关性。
图42示出了这一点，示出了具有不同时间间隔的脉冲序列的透射迹线471至479。每个脉冲序列包括具有500Hz重复率的10个50ns写入脉冲，脉冲序列之间的间隔以5ns的增量从0ns变化到50ns(迹线471对应于0ns延迟，并且迹线472对应于5ns，等)。尽管在实践中重复率可能高的多，但是看到示例装置在脉冲序列中的各个写入脉冲之间的响应是有指导性的。
通过改变两个脉冲序列之间的时间延迟，我们看到我们的装置变化的时间响应。在没有时间延迟(迹线471)处，透射在整个脉冲序列的持续时间内保持几乎恒定，在发生重叠写入脉冲的透射中具有小的可见尖峰。随着两个脉冲序列之间的时间延迟增加，透射尖峰的幅度和持续时间减小，直到它们不再重叠(迹线473，10ns延迟)。随着时间延迟进一步增加(迹线477，30ns)，透射响应消失，指示两个脉冲序列在时间上不再相关。已知这种检测多个输入之间的相关事件的能力发生在生物神经元中，并且对于训练神经网络和量化机器学习应用中的随机信号之间的相关性具有广泛的重要性。
尽管图37至图39所示的响应时间与写入脉冲的时间标度相比相当长，但是仍然可以清楚地解决由于高速熔化处理引起的两个写入脉冲之间的5ns时间延迟差异，通过该高速熔化处理，利用光脉冲对GST进行非晶化(例如，如图42的结果所示)。
根据本公开，易失性和非易失性行为两者都是可能的，证明可以利用单个元件获得两个世界的最佳世界。通过改变读取信号的光功率，观察到调制元件的数据保留时间的指数减小，使得保留时间范围从年(即非易失性)到毫秒(即易失性)。这两种操作模式在能够进行多级数据存储和计算脉冲相关的光平台中实现。通过以易失性方式操作装置，可以解决两个脉冲之间的低至5ns的定时差异。类似的行为发生在两个多个脉冲序列之间，示出本文公开的类型的易失性光子存储元件可以用于计算两个光信号之间的相关性。这些结果表明，利用非易失性元件的光子学还可以被配置为易失性元件，并且因此为全光数据存储和计算提供了有前景的平台。
以上示例不旨在限制本发明的范围，本发明的范围应参考所附权利要求来确定。
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