光學百科之從光RAM 010

今天來聊一個比較生僻的領域——光RAM。

光學的一大目標就是替代現有的，基於硅的電子產品，所以才有了諸如optical fiber、optical switch等產品和領域，光學的產品相比於電子產品有著功耗小、速度快、熱量低的特點。光ram也就是optical RAM （o-RAM） 或者 photonic RAM。

那麼什麼是RAM?

Random-access memory(RAM/r?m/) is a form of computer data storage that stores data and machine code currently being used. A random-access memory device allows data items to be read or written in almost the same amount of time irrespective of the physical location of data inside the memory.

Random-access memory

那麼要做到o-RAM，我們就需要對光進行一個『積累』，這個時間不需要太長，滿足RAM的快速訪問特性就行了。這裡要提到一個參數 "Q-factor":

In physics and engineering the quality factor or Q factor is a dimensionless parameter that describes how under damped an oscillator or resonator is,[1] and characterizes a resonators bandwidth relative to its centre frequency.[2] Higher Q indicates a lower rate of energy loss relative to the stored energy of the resonator; the oscillations die out more slowly. A pendulum suspended from a high-quality bearing, oscillating in air, has a high Q, while a pendulum immersed in oil has a low one. Resonators with high quality factors have low damping, so that they ring or vibrate longer.

Q factor - Wikipedia

也就是Q值越高，光被『捕獲』的時間也越長。經過一些特殊設計的o-RAMQ值可達1百萬，光子的壽命為1ns。

NTT在Si、InP為主材質的光子晶體結構中演示了o-RAM。

Cover Photograph: Over-100-bit Photonic Crystal Optical-RAM Chip

如上圖，當特定波長的光通過時，光經過波導和光子晶體結構，會在InGaAsP納米腔內產生載流子，這時這個納米腔也被認為是on的。產生作用的光的波長，和其周圍光子晶體孔的大小相關。

假設孔的大小從408nm變到424nm，每一次增加孔徑0.125nm，那麼就可以共有128個納米腔對不同的波長響應，從而可以通過入射不同波長的光，從而存儲不同的數據【1】。這就是一個128bits的存儲器，而整個長度僅僅只需要1mm左右。

那麼如何讀取呢？

如上圖（【2】Fig.2），讀取波的脈寬（12ps）和寫入波保持一致，當通過一個on的納米腔時，讀取光的光強將會是個很高的信號。但當用一個reset光脈衝去reset納米腔後，納米腔內的載流子就會擴散掉，呈現off狀態，並且讀取光也讀不到任何信號。

【1】Over-100-bit Integrated Optical RAM Chip

【2】Ultralow-power all-optical RAM based on nanocavities

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