[论文解读] Electrical Programmable Multi-Level Non-volatile Photonic Random-Access Memory

Jiawei Meng, Yaliang Gui+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2022

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 5

一句话总结

本论文提出一种基于硅基绝缘体平台的电可编程、多级、非易失性光子随机存取存储器，采用宽带透明相变材料（Ge2Sb2Se5，GSSe）。该器件实现超低插入损耗（4位存储状态下为0.12 dB），相较于以往的相变光子存储器，信噪比提升100倍，且静态功耗为零，具备500,000次循环耐久性。

ABSTRACT

Photonic Random-Access Memories (P-RAM) are an essential component for the on-chip non-von Neumann photonic computing by eliminating optoelectronic conversion losses in data links. Emerging Phase Change Materials (PCMs) have been showed multilevel memory capability, but demonstrations still yield relatively high optical loss and require cumbersome WRITE-ERASE approaches increasing power consumption and system package challenges. Here we demonstrate a multi-state electrically-programmed low-loss non-volatile photonic memory based on a broadband transparent phase change material (Ge2Sb2Se5, GSSe) with ultra-low absorption in the amorphous state. A zero-static-power and electrically-programmed multi-bit P-RAM is demonstrated on a silicon-on-insulator platform, featuring efficient amplitude modulation up to 0.2 dB/μm and an ultra-low insertion loss of total 0.12 dB for a 4-bit memory showing a 100x improved signal to loss ratio compared to other phase-change-materials based photonic memories. We further optimize the positioning of dual micro-heaters validating performance tradeoffs. Experimentally we demonstrate a half-a million cyclability test showcasing the robust approach of this material and device. Low-loss photonic retention-of-state adds a key feature for photonic functional and programmable circuits impacting many applications including neural networks, LiDAR, and sensors for example.

研究动机与目标

• 解决现有基于相变材料的光子存储器存在的高光学损耗与能效低下的问题。
• 实现在片上光子计算中应用的多级、非易失性、电可编程光子随机存取存储器。
• 在保持高性能与长期数据保持能力的同时，将静态功耗降低至零。
• 通过双微加热器优化器件结构，平衡性能与能效。
• 在神经网络、LiDAR与传感系统中实现实际集成，验证其鲁棒的循环性能与低插入损耗。

提出的方法

• 采用在非晶态下具有超低吸收特性的宽带透明相变材料Ge2Sb2Se5（GSSe）。
• 利用电驱动微加热器诱导局部相变，实现非晶态与晶态之间的可逆转换，从而实现非易失性存储操作。
• 设计硅基绝缘体（SOI）平台，实现高效、低损耗的光波导传输，并兼容CMOS工艺。
• 优化双微加热器的布局，以调控热分布，提升开关均匀性与能效。
• 采用振幅调制技术实现多级数据存储，最高效率达0.2 dB/μm。
• 开展循环测试，验证器件的长期可靠性与耐久性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非晶态下具有超低吸收特性的相变材料是否可在硅基平台上实现低损耗光子存储？
• RQ2 如何通过电编程实现多级、非易失性存储，并实现零静态功耗？
• RQ3 何种微加热器配置可实现开关速度、能效与均匀性的最佳平衡？
• RQ4 与现有相变光子存储器相比，信噪比提升幅度有多大？
• RQ5 在反复循环下，所提出的光子存储器的耐久性与数据保持性能如何？

主要发现

• 器件在4位存储状态下实现总插入损耗仅为0.12 dB，相较于以往相变光子存储器，信噪比提升100倍。
• Ge2Sb2Se5的非晶相表现出超低吸收，实现高光学透明度与低传播损耗。
• 由于非易失性操作及非晶态下的稳定数据保持，该存储器实现零静态功耗。
• 经过500,000次循环测试，验证了器件在反复电编程下的鲁棒性与可靠性。
• 振幅调制效率最高可达0.2 dB/μm，支持高保真度的多级数据存储。
• 双微加热器优化成功平衡了热串扰与开关均匀性，显著提升了整体器件性能。