硅光子学是解决神经网络等新兴技术严格资源需求的可行解决方案。在这个框架内，光子存储器是光子集成电路的基本构建块，由于能耗、速度、占用空间或制造复杂性等不同指标之间的权衡，尚未找到标准化的解决方案。特别是，迄今为止，表现出超高耐久性能（>106 次循环）的光子存储器一直难以捉摸。在这里，我们报道了一种使用二氧化钒 （VO2） 的超高耐久性硅光子易失性存储器，它表现出高达 107 次循环而不会降解的创纪录的循环性。此外，我们的存储器具有低于 5 μm 的超紧凑封装，具有纳秒级和皮焦耳级编程性能的潜力。我们的硅光子存储器可以在需要大量存储器更新的新兴光子应用中得到应用，例如具有原位训练的光子神经网络。
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介绍
Silicon photonics 通过提供经济高效且可扩展的平台 1，为满足当今世界不断增长的计算和数据通信需求开辟了新的机会1。然而，光子存储器仍然是当前硅平台中缺失的构建块。虽然有几种技术可用于实现光子存储器，但据我们所知，该组件尚未包含在提供多晶片项目运行或定制制造的 CMOS 代工厂的任何工艺设计套件中。这种设备对于许多应用可能是必不可少的，尤其是在神经形态计算和可编程光子学2 的新兴领域。在这些情况下，集成光子存储器可以经历的循环次数可能是需要高循环性的应用的关键指标，例如原位神经网络训练3,4。
在过去的几年里，已经探索了各种技术，主要是相变材料 （PCM）、铁电体和电荷捕获存储器，以实现光子存储器5,6。相变材料因其在材料相态之间的折射率发生巨大变化而脱颖而出，使器件具有超紧凑的封装，从而显示出大规模集成的巨大潜力。此外，考虑用于光子学的大多数 PCM 都可以单片集成在硅平台中。
基于硫属化物的光子存储器已成为一种很有前途的方法，主要是因为它们的非易失性开关能力，已被用于开发不同的光子内存计算架构 7,8,9,10,11,12。然而，硫属化物的局限性之一是相对较差的耐久性能，这在混合光子集成器件中已经得到证明，通常从 ∼103 个开关周期6 到 20,000 个周期13。
作为硫属化物的替代品，二氧化钒 （VO2） 有可能转化为一种有吸引力的候选物，通过利用其折射率随温度变化14 的滞后响应，以超紧凑的占地面积构建光子存储器。VO2 可以为更快、更节能的器件铺平道路，因为与硫属化物相比，它的开关温度要低得多，但代价是易挥发性15。尽管如此，最近还报道了在室温下非易失性开关行为的可能性16。在这项工作中，我们报道了一种高耐用性超紧凑的 VO2/Si 光子易失性存储器，显示出高达 10个 7 次写入/擦除周期的创纪录可循环性，其速度和能耗优于基于硫系化物的非易失性光子存储器5,6。我们提案的易失性使其适用于需要频繁切换的应用，而不是长期存储应用。
建议的内存如图 1 所示。1a，它由一个标准的 220 × 500 nm 硅波导组成，该波导装载着一个 3 μm 长、40 nm 厚的 VO2 贴片，该贴片由分子束外延 （MBE） 沉积15。该设备在 1550 nm 下工作，用于横向磁极化。通过使用光脉冲对存储器进行编程，以光热方式在低损耗绝缘阶段（擦除存储状态）和高损耗金属相位（写入存储状态）之间驱动 VO2。该设备的模拟性能显示在补充说明 1 中。图 1b 显示了制造设备的光学图像。为了保持存储状态，将编程脉冲的光功率调整为 VO2 金属到绝缘体转变的磁滞回线内，如图 2 所示。1c. 尽管如此，微加热器也可用于提供保温温度。
图 1：装置方案和工作原理。
a 我们的 VO2/Si 光子存储器的工作原理是通过编程（写入/擦除）光脉冲来操作的。b 制造设备的光学图像。c 通过利用 VO2 绝缘到金属相变的滞后响应，绘制了写入/擦除状态之间的存储操作草图。
结果
耐久性测量
为了演示我们的存储器在显示降级信号之前可以经历的最大写入/擦除周期，我们在编程信号中重复了写入/擦除周期，如图 1 所示。1，周期为 100 μs。选择这个周期是为了使用我们的设置来实现运行内存所需的光功率，这是尽可能低的。我们每秒进行 5 个周期的跟踪，这对应于 10个 4 个周期的跟踪之间的差异。写入和擦除光脉冲的持续时间均为 1 μs，而存储器的状态仅使用 180 μW 即可保持。
图 2 显示了用于评估写入/擦除状态之间光学对比度 ∼2.6 dB 的耐久性性能的循环性测试。内存操作在 10个 6 个周期中成功得到验证 [图 .2a-c]。高于此值时，由于实验装置中的光学错位和漂移，光学对比度逐渐降低。然而，在重新对准后，状态之间的光学对比度得以恢复，如图 1 所示。2a，从而证明记录值超过 107 个周期。重要的是要注意，即使在如此大量的循环之后，该设备仍继续正常工作。此外，光传输读数的分布如图 2 所示。2d 显示，对于标准偏差，擦除状态下的准确性为 ±0.11 dB，写入状态下为 ±0.085 dB。
图 2：耐久性测量记录。
一个 Memory 操作展示了超过 100 万次循环，并且仅受未对准的限制。b 在不对中之前稳定运行超过 106 个周期。c 其中一条迹线的详细视图，显示 5 个写入/擦除周期及其相应的编程脉冲。d 4 × 106 个周期后光传输读数的分布。
速度和能耗性能
为了评估潜在的编程速度和能耗，我们将我们的装置可用的最短持续时间 （~100 ns） 的单个光脉冲应用于仅 1 μm 长度的较小光子存储器中。图 3 显示了注入能量增加的光脉冲时的传输性能。当能量脉冲增加时，VO2 绝缘体-金属相变（写入过程）的开关时间从 28 ns 减少到 12 ns，但代价是 VO2 金属-绝缘体相变（擦除过程）的开关时间更长，从 36 ns 增加到 208 ns。因此，24 pJ 的能量脉冲足以来回切换 VO2 贴片，切换时间分别高达 24 和 36 ns。
图 3：开关速度和能耗性能。
通过将 100 ns 长的光脉冲和不断增加的能量施加到仅 1 μm 长度的较小光子存储器中来实现开关操作。注入脉冲和输出响应之间 ∼200 ns 的延迟主要是由设置中使用的外部元件和光纤引起的。
图 4 描述了用于光子存储器的不同技术（如硫化物、忆阻器和电荷捕获）在编程能耗和耐久性方面的比较。有关比较作品的更多详细信息，请参阅补充说明 2。我们的 VO2/Si 存储器接近忆阻器技术的超低能耗，但耐用性提高了四个数量级。另一方面，与光子存储器中最常用的硫属化物 Ge2Sb2Te5 （GST） 相比，我们的实验结果导致写入状态的开关能量密度为 0.4 aJ nm-3，这比实验最先进的 GST 光子存储 （8 aJ nm-3） 低一个数量级，甚至低于 GST 的理论极限 （1.2 aJ nm-3）17。
图 4：编程能量与耐久性比较。
与其他技术相比，编程能耗与我们工作的耐久性进行比较，例如硫属化物6、13、21、25、26、27、28、29、30（蓝色圆圈）、电荷捕获记忆31（红色方块）忆阻器6,32（黑色星星）和其他 VO2 记忆14（绿色六边形）。
按照与参考文献17 相同的过程，我们可以估计理论能量密度极限，以在 VO2 中写入状态。考虑到潜热18,19， H = 235 J cm-3，比热容20，C = 3 J cm-3 K-1 和完全向金属转变的温度 T = 65 °C，我们得到的编程能量密度为 H + C ΔT = 0.31 aJ nm-3，其中 ΔT = 65–25 °C。然而，在我们的存储设备中，这样的温度升高较低，因为编程过程发生在保持温度而不是室温。因此，只需要潜热来完成转变，编程 VO2 内存的理论能量密度为 H = 0.23 aJ nm-3，这接近我们的实验值。
讨论
在这项工作中，我们报道了一种超紧凑的 VO2/Si 光子存储器，其耐久性创下了高达 107 次循环的记录。此外，我们还展示了以几纳秒的速度和几皮焦耳的能耗运行内存的潜力。这一结果意味着与以前的工作相比，耐用性大大提高，编程能耗显著降低。为了将这些值置于上下文中，在内存被擦除并以 kHz 范围内的频率写入的应用中，当前基于硫属化物的光子存储器在功能退化之前只会持续几秒钟 8,21。此外，用于神经网络应用的大多数基于硫属化物的光子硬件都使用离线学习方法4。在此过程中，神经网络的训练以通常的方式完成，通过计算机22 中的反向传播算法计算权重和偏差。之后，权重和偏差被写入硫属化物补丁。尽管这种方法在某些情况下非常有用，但它在整个训练过程中不会提供任何能量消耗或速度增强。此外，制造缺陷可能意味着与原始（数字）参数的偏差，从而导致模拟模型的准确性降低，即所谓的“现实差距”23。与这种方法相反，在原位培训24 或在线培训4 中，使用光子硬件进行培训。这种方法意味着神经网络训练的能耗大幅降低，外部计算任务将最小化，并且制造缺陷不会影响数字权重到硬件中模拟权重的转移（不存在“现实差距”）。在这方面，VO2 因其高耐用性和低可编程能量需求而被定位为原位训练的潜在候选者。总而言之，我们的器件可以为需要具有高可循环性、低功耗和快速操作的内存功能的应用提供有前途的解决方案。
方法
实验装置
使用逆向泵和探头技术进行耐久性测量以及能量和速度性能。1565 nm 的低功率连续波信号用于读取存储器的变化，而 1550 nm 的外部调制信号用于编程和保持存储器的状态。编程信号通过电光调制器进行调制，并使用掺铒光纤放大器进行放大。泵浦（编程信号）和探针（读出）信号通过样品传播后，使用高速光电探测器通过示波器对其进行测量。此外，还使用了一个额外的光电探测器来获得芯片传输以进行实时监控。输入和输出光纤都是手动对准的，光通过光栅耦合器耦合到芯片上。
制造工艺
硅光子结构是在标准绝缘体上硅 （SOI） 样品上制造的，其顶层为 220 nm 厚的硅，具有 3 μm 厚的埋藏氧化层。采用电子束光刻技术将硅结构图案化到负色调光刻胶上。通过采用等离子反应离子刻蚀 （ICP-RIE） 将图案转移到 SOI 样品中。使用相同的电子束光刻工艺在正性光刻胶上定义 VO2 结构，随后使用 MBIK：IPA 浴对暴露区域进行显影。然后，使用 MBE 生长 40 nm 厚的 VOx 层，然后在超声波浴中使用 MBIK：IPA 进行剥离过程。然后，通过在 450 °C 的合成气体中退火 30 分钟形成多晶 VO2。最后，VO2/Si 结构覆盖有 700 nm 厚的 SiO2 包层，该包层使用 200 °C 的等离子体增强化学气相沉积。
