Исследователи из Hewlett Packard Labs, лаборатории, в которой был создан первый реальный мемристор, изобрели новую вариацию этого устройства - мемристорный лазер. Длина волны излучения этого лазера может быть установлена при помощи одного из доступных электронных способов, и эта длина волны сохраняется, даже если полностью отключить питание устройства. Исследователи предполагают, что созданный ими "умный" лазер может, к примеру, значительно упростить фотонные приемопередатчики, обеспечивающие передачу информации между ядрами одного процессора, также такие лазеры-мемристоры могут стать основой сверхэффективных нейроморфных фотонных схем, работающих на принципах, похожих на принципы работы головного мозга.
В современных коммуникациях уже давно используется факт, что свет с различными длинами волн способен распространяться по оптоволокну, не мешая свету с другой диной волны. Это позволяет организовать в рамках одного физического оптического канала несколько независимых каналов, что значительно расширяет пропускную способность. Длина волны излучения лазера регулируется сейчас нагревом и поддержанием определенной температуры этого устройства или "накачкой" его структуры электрическим зарядом в определенных местах. Но оба этих метода требуют достаточно значительных затрат энергии.
Оставим лазеры в покое на некоторое время и напомним нашим читателям, что мемристоры - это электронные устройства, способные менять и сохранять значение их собственного электрического сопротивления. Сопротивление регулируется уровнем прикладываемого к устройству электрического потенциала и сопротивление сохраняется даже если полностью отключить питание мемристора.
Cтруктура мемристора достаточно проста - обычно это два электрода со слоем диэлектрика из оксидного материала (окиси титана) между ними. В естественном состоянии сопротивление окиси титана велико, но, если приложить к этому материалу достаточный электрический потенциал, атомы кислорода ионизируются и смещаются в сторону одного из электродов, оставляя за собой "нити" токопроводящих каналов, которые уменьшают электрическое сопротивление. Это полностью обратимый процесс, электрический потенциал обратной полярности возвращает ионы на место и "стирает" токопроводящие каналы.
В свое время Бассему Тоссуну (Bassem Tossoun), исследователю из HPE Labs, пришла в голову идея совместить полупроводниковый лазер и мемристор так, чтобы лазер мог сохранять значение длины волны его излучения. И, как оказалось позже, эта идея вполне реализуема. Сейчас уже в лаборатории HPE Labs созданы опытные образцы подобных лазеров, в которых используются микрокольцевые MOS-модуляторы и микрокольцевые MOS-лазеры.
Обе части нового лазера представляют собой многослойные структуры, которые формируют полупроводниковый лазерный диод с включенным в него электрическим конденсатором. Управляя напряжением на этом конденсаторе можно изменять величину накопленного в нем электрического заряда. Это, в свою очередь, изменяет коэффициент преломления материала кольцевого волновода-резонатора, что приводит к изменению длины волны излучаемого лазером света.
При совмещении мемристора и лазера получается следующее - в низкоомном состоянии мемристора устройство нагревается при прохождении через него электрического тока и длина волны лазера смещается в сторону красной части спектра. Когда мемристор находится в высокоомном состоянии, в конденсаторе лазера накапливается больший электрический заряд, что приводит к смещению длины волны его излучения в сторону фиолетовой части спектра. При этом, на изменение длины волны лазерного света требуется энергия в количестве, составляющем миллионную часть от количества энергии, необходимой для подобных изменений при помощи только одного из двух методов. Переключение сейчас производится со скоростью 75 наносекунд в расчете на 1 нанометр длины волны излучения.
"Сейчас мы исследуем возможность создания нейроморфных оптических схем" - рассказывает Бассем Тоссун, - "И мы уже видим огромные дальнейшие перспективы. Ведь у нас в распоряжении имеется базовый блок для построения системы, в которой одновременно объединяется память, вычислительные возможности и возможности создания быстродействующих оптических кросс-соединений в пределах одного чипа".
