Базовый принцип и установка фотонно-фононной памяти. а. Процесс хранения: импульс с оптическими данными истощается сильным импульсом на запись в противоположном направлении, на несколько наносекунд сохраняя информацию в виде акустического фонона. b. Процесс извлечения: импульс на чтение истощает акустическую волну, преобразуя данные обратно в оптическую форму. c. Упрощённая схема экспериментальной установки. На вставке показан халькогенидный чип рядом с 50-центовой австралийской монетой. Чип содержит более 100 спиральных волноводов различной длины (8,6; 11,7 и 23,7 см). Полная схема экспериментальной установки опубликована в научной статье.

Исследователям из Нанонаучного центра Сиднейского университета удалось значительно (на пять порядков) замедлить передачу данных в оптическом чипе, переведя информацию из оптических волн в акустические. То есть информация надёжно передаётся внутри микрочипа в виде звука, а затем конвертируется обратно в свет. Микросхема одновременно работает на разных длинах волн.

Устойчивая трансформация между оптическими и акустическими волнами внутри микрочипа важна в разработке фотонных интегральных схем, подчёркивают инженеры. Фотонные микрочипы разрабатываются для применения в телекоммуникациях, оптоволоконных сетях и облачных дата-центрах, а также в любых других областях, где электроника может подвергнуться электромагнитному излучению или собственник желает снизить энергопотребление и тепловыделение устройств.

«Информация в нашем чипе передаётся в акустической форме на скорости на пять порядков медленнее, чем в оптическом виде», — говорит д-р Биргит Стиллер (Birgit Stiller), научная сотрудница Сиднейского университета и руководитель проекта. «Это как разница между громом и молнией», — приводит она образное сравнение.


Д-р Биргит Стиллер (слева) и докторант Мориц Мерклейн из Нанонаучного центра Сиднейского университета

Наличие кратковременной задержки очень важно, потому что на низкой скорости появляется возможность хоть на какое-то время задерживать данные в микросхеме для хранения и обработки. После этого они снова преобразуются в световую форму — и идут дальше. Свет отлично подходит для быстрой передачи данных на большие расстояния, а вот при обработке информации фотоны — не самый лучший носитель, объясняют учёные. «Создание звукового буфера внутри микросхемы на несколько порядков улучшает наши возможности по управлению информацией», — говорит Мориц Мерклейн (Moritz Merklein), докторант Нанонаучного центра Сиднейского университета.

В настоящее время замедление информации и её обработка происходят в электрическом виде, но из-за этого возникают проблемы с перегревом и энергопотреблением устройств. Новая фотонно-фононная память, не использующая традиционную электронику, предлагает решение этой проблемы.

Микросхема на фотографии вверху (КДПВ) изготовлена в Центре лазерной физики Австралийского национального университета. В отличие от предыдущих разработок, она не ограничена узкой полосой, а одновременно работает на разных длинах волн. Спиральные волноводы в микросхеме изготовливаются из мягкого стекла, называемого халькогенидом. В нём скорость звука гораздо меньше, чем в кремнии, так что можно сказать, что эти несколько наносекунд информация хранится в волноводе в звуковой форме.


Фотонные чипы имеют много преимуществ перед обычной электроникой, основанной на передаче электронов. Во-первых, увеличивается полоса пропускания. Во-вторых, отсутствует тепловыделение, связанное с электрическим сопротивлением. В отличие от электронов, фотоны устойчивы к электромагнитному излучению. Поэтому уже сейчас оптические интегральные схемы широко применяются в оптических сетях и системах связи, а также в оборудовании, устойчивом к воздействию электромагнитного импульса.

Дальнейшая работа учёных будет направлена на то, чтобы продлить время жизни звуковых волн внутри волновода. Хотя и текущего времени в несколько наносекунд вполне хватает, например, для синхронизации данных с нескольких процессоров, позволяя избавиться от использования электроники и связанной с ней проблем (особенно избыточное тепловыделение).

Научная статья опубликована 18 сентября 2017 года в журнале Nature Communications (doi:10.1038/s41467-017-00717-y).