惠普实验室发明世界第一台忆阻器激光器

转载 | IEEE Spectrum

近日，惠普实验室（Hewlett-Packard Labs，另简称HPE）的研究人员发明了一种新型的忆阻器激光器。这是一种激光，它的波长可以通过电子方式移动，而且独特的是，忆阻器是将存储器存储为电阻值的器件。施加电压会改变电阻，即使关闭设备电源，该值也会保持不变。

在IEEE International Electron Device会议上，研究人员提出，除了简化处理器间数据传输的光子收发器外，新设备还可以形成超高效的脑激励光子电路的组件。

Image: Hewlett Packard LabsA cross section of the hybrid silicon MOS microring laser with memristor properties.

不同颜色的光可以同时通过光纤和其他波导，因此可以调整波长的光子收发器将导致计算机和最终处理器之间的更高带宽连接。半导体激光器发光的波长可以通过加热器件或通过器件结构中特定种类的电荷积累而改变。然而，这两种现象都需要能量。

Illustration: Hewlett Packard LabsThe hybrid silicon MOS microring laser is made by bonding a compound semiconductor wafer to a silicon wafer. The oxide at the interface is part of what gives the device have memristor properties.

另外，忆阻器是将存储器存储为电阻的装置。正确的电压信号可以改变电阻，即使电源关闭，电阻也会保持不变。

HPE实验室的研究员Bassem Tossoun想知道是否能制造出一种像忆阻器一样存储频率的激光器。事实证明，这不仅是可能的，而且HPE在不知不觉中已经构建了这样一个设备。

Tossoun开始探索的时候，他只是尝试在由他的同事、资深研究科学家Di Liang开发的两种设备上进行实验，这两种设备被称为混合硅MOS微环调制器和混合硅MOS微环激光器。

两者都是多层结构，基本上由同心环组成，同心环形成一个半导体激光器，其中嵌入一个氧化物基电容器。通过控制电容器上的电压，不同数量的电荷在那里积累。这改变了设备的光学模式指数，即当相位光沿波导传播时，会经历多少延迟，从而改变发射光的波长。

“如果我们施加足够的电压偏置，（微环器件）能像记忆器件一样切换吗？Tossoun问道，而回答是肯定的，“实际上，我们一直在制造这些忆阻器，但之前并不知道。”

弄清楚它为什么起作用需要更多的努力。忆阻器通常是两个金属电极，中间夹着一小块绝缘体，如氧化钛。在自然状态下，通过绝缘体的电阻很高。但有了足够的电压，绝缘体中的氧原子就会电离，迁移到电极上，留下导电丝，降低电阻。这是一个可逆的过程，当然，转换电压会驱动离子回到原来的位置，并消除传导路径。

Image: Hewlett Packard LabsWhen the laser is in its low-resistance state, heat shifts its output to a longer wavelength.

实验和模拟显示，当器件处于低电阻状态时，它会加热，延长（红移）输出光的波长。当它处于高电阻状态时，电荷载流子会聚集在缩短（蓝移）器件波长的氧化物周围。（我们已经知道，在关闭状态下进一步提高电压可以进一步将微环激光器推向蓝色，使波长偏移是其他方法的10亿分之一。）在Tossoun使用的设备中，这种切换发生在75纳秒左右，但只发生在1纳米左右的波长上。

目前该小组正在探索用它们设计神经形态的光学电路。Liang说：“从长远来看，对于我们的宏伟前景来说，现在已经有了构建一个集成内存、计算和高速光互连的系统的基石 -- 这是我们第一次将所有这些集成在同一个芯片上。忆阻器激光组件开辟了一个新领域，将我们的能力从光学通信扩展到光学和神经形态计算以及其他领域。”

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原标题：《惠普实验室发明世界第一台忆阻器激光器》

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