Титанат бария запомнил фазу света без постоянного нагрева

Напряжение уже снято с электрода, а интерферометр продолжает направлять свет в тот же выходной волновод. В обычной программируемой фотонной схеме это состояние пришлось бы удерживать током через микронагреватель: нагрев слегка меняет показатель преломления, а свет набирает нужную фазу. Здесь фазу запоминает сама активная плёнка. Электрический импульс перестраивает домены ферроэлектрического барий-титаната, и выбранная настройка остаётся после отключения bias.

Память в фазовращателе

На этой идее изготовили программируемую оптическую матрицу из 58 ячеек 2×2 и 116 фазовращателей. Каждая ячейка управляет интерференцией двух оптических путей; из соединённых ячеек можно собрать фильтр, коммутатор, разветвитель или линейное преобразование сигналов. Авторы показали перестраиваемые UMZI-, кольцевые и RAMZI-фильтры, четыре одновременных маршрута, разветвитель 1×8 и несколько конфигураций унитарного преобразователя 4×4. В последних доля нормированной мощности на целевых выходах превысила 0.98, паразитные соединения были слабее примерно на 25 дБ.

Это фотонная FPGA только по способу использования: топологию оптической функции набирают из повторяющихся ячеек после изготовления кристалла. Внутри нет цифровых LUT и SRAM-конфигурации. Свет ведёт SiN-волновод над тонкой плёнкой BaTiO3 на кремниевой платформе. Поле меняет показатель преломления через линейный электрооптический эффект, а более сильная импульсная запись ещё и меняет ориентацию доменов.

Две скорости одной ячейки

Самое важное различие спрятано в двух режимах работы. Быстрый переход около 82 нс измерен при модуляции эффектом Поккельса: на электродах остаётся рабочее смещение, состояние не сохраняется. Для π-сдвига в этом режиме указаны 560 нВт и энергия переключения 44.8 фДж на фазовращатель. Это характеристика отдельного актуатора; она ничего не говорит о мощности лазера, драйверов, термостабилизации и всей матрицы.

Чтобы записать настройку, переживающую отключение смещения, подают серию 300-нс импульсов. Промежуточные состояния насыщаются после более чем сотни импульсов, поэтому полный цикл записи занимает около 60 мкс. На отдельной ячейке различили 16 уровней фазы и удерживали каждый 1.2 минуты. В опыте с 600 случайными переходами перед новой установкой выполняли reset в нулевое состояние: произвольная перезапись из любого прежнего уровня ещё не доказана.

Потери растут вместе с сеткой

Цена этой красивой памяти заметна уже в оптическом тракте. Одна ячейка вносит 1.48 дБ потерь, значительная часть которых связана с переходами между кремниевыми и SiN–BaTiO3-волноводами. Несколько каскадов быстро съедают запас мощности света; именно ячейки ограничивали пропускание реализованных кольцевых фильтров. Подложку также держали на термоэлектрическом охладителе, поэтому отказ от локальных нагревателей не отменяет чувствительности устройства к температуре.

Что ещё не стало энергонезависимым

Пока энергонезависимость показана на уровне отдельных ячеек, а все системные функции 58-ячеечной сетки настроены в режиме без сохранения состояния. Для настоящей фотонной FPGA, которую можно выключить, включить и получить прежнюю схему, нужна адресная матрица импульсных драйверов для всех электродов. В нынешнем стенде один источник импульсов превращал такую настройку в ручную процедуру. Но сам физический трюк уже работает: фазу света можно оставить в кристалле как след переключённых доменов, без непрерывного рассеяния тепла у каждого интерферометра.