KR20230105463A - Topologically-protected all-optical memory - Google Patents
Topologically-protected all-optical memory Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230105463A KR20230105463A KR1020220000869A KR20220000869A KR20230105463A KR 20230105463 A KR20230105463 A KR 20230105463A KR 1020220000869 A KR1020220000869 A KR 1020220000869A KR 20220000869 A KR20220000869 A KR 20220000869A KR 20230105463 A KR20230105463 A KR 20230105463A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- resonator
- optical
- memory device
- state
- memory
- Prior art date
Links
- 230000015654 memory Effects 0.000 title claims description 68
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 82
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 12
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 9
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 9
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 9
- 101100194362 Schizosaccharomyces pombe (strain 972 / ATCC 24843) res1 gene Proteins 0.000 description 10
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 4
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 4
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 3
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000006386 memory function Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 229920001690 polydopamine Polymers 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11C—STATIC STORES
- G11C13/00—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00
- G11C13/04—Digital stores characterised by the use of storage elements not covered by groups G11C11/00, G11C23/00, or G11C25/00 using optical elements ; using other beam accessed elements, e.g. electron or ion beam
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
- G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
본 발명은 위상학적으로 보호되는 광학 메모리 소자에 관한 것으로, 비선형적 이득을 갖는 제1 공진기; 비선형적 손실을 갖는 제2 공진기; 및 이득도 손실도 없는 제3 공진기;를 포함하고, 상기 제1 공진기와 상기 제2 공진기의 사이에 상기 제3 공진기가 결합되어 기판 상에 형성되는 것이다.The present invention relates to a topologically protected optical memory device, comprising: a first resonator having a nonlinear gain; a second resonator with nonlinear loss; and a third resonator having neither gain nor loss, wherein the third resonator is coupled between the first resonator and the second resonator to be formed on a substrate.
Description
본 발명은 위상학적으로 보호되는 광학 메모리 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광학 상태가 위상학적으로 보호되는(topologically protected) 특성을 바탕으로 소자 내의 결함이나 외부의 잡음에도 안정적으로 메모리 상태를 유지하고 또한 메모리 상태의 자유로운 변조가 수행될 수 있도록 하는, 위상학적으로 보호되는 광학 메모리 소자에 관한 것이다.The present invention relates to an optical memory device that is topologically protected, and more particularly, based on a characteristic in which an optical state is topologically protected, a memory state is stably maintained against defects in the device or external noise. It also relates to topologically protected optical memory elements, allowing free modulation of memory states to be performed.
통상적으로 전광학적(All-optical) 제어가 가능한 광학 소자들은, 별도의 전기 신호와 광학 신호 간의 변환이 필요 없으며, 빠른 정보 전달 속도와 적은 에너지 손실로 인해 기존의 전자회로 소자에 비해 높은 성능을 제공할 수 있다. Conventionally, all-optical controllable optical elements do not require a separate electrical signal and optical signal conversion, and provide higher performance than conventional electronic circuit elements due to fast information transmission speed and low energy loss. can do.
예컨대 전광학적 메모리 소자 또는 멤리스틱(memristic) 장치들은, 광집적회로(photonic integrated circuit), 광신경망(photonic neural network) 및 광인공지능(photonic AI) 등의 구현을 위해 활발히 연구되고 있다. For example, all-optical memory devices or memristic devices are being actively researched for the implementation of photonic integrated circuits, photonic neural networks, and photonic AI.
그러나 상기 전광학적 메모리 소자들은 메모리 연산을 위해서 별도의 프로세서(processor)를 이용한 메모리 전달 과정이 필요하며, 이로 인한 병목현상(von Neumann bottleneck)이 발생하는 문제점이 있으며, 이에 대한 적절한 해결책이 아직 제시되지 않은 상태이다. However, the all-optical memory devices require a memory transmission process using a separate processor for memory operation, and there is a problem that a von Neumann bottleneck occurs due to this, and an appropriate solution has not been proposed yet. state is not
특히 빛의 상태를 기억하는 메모리 기능은 시스템의 안정성을 필요로 하지만, 메모리의 상태(예 : 1/0, 온/오프 등)를 바꾸기 위해서는 변조에 민감한 시스템이 필요하다는 점에서 모순적이라는 문제점이 있으며, 이에 빛의 상태를 안정적으로 기억하면서 그 메모리의 상태를 자유롭게 변조할 수 있도록 하는 광학 인메모리 프로세서(in-memory processor)도 아직 제시되지 않은 상태이다.In particular, the memory function that remembers the state of light requires stability of the system, but there is a problem of contradiction in that a system sensitive to modulation is required to change the state of the memory (
이에 따라 광학 상태가 위상학적으로 보호되는 특성을 바탕으로 소자 내의 결함이나 외부의 잡음에도 안정적으로 메모리 상태를 유지하면서 메모리 상태의 자유로운 변조가 수행될 수 있도록 하는 광학 메모리 소자가 필요한 상황이다.Accordingly, there is a need for an optical memory device capable of freely modulating a memory state while stably maintaining a memory state even in the presence of a defect in the device or external noise based on a characteristic in which an optical state is topologically protected.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 10-1888414호(2018.08.08. 등록, 전광 메모리 소자)에 개시되어 있다. The background art of the present invention is disclosed in Republic of Korea Patent Registration No. 10-1888414 (2018.08.08. Registration, electric memory device).
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 광학 상태가 위상학적으로 보호되는 특성을 바탕으로 소자 내의 결함이나 외부의 잡음에도 안정적으로 메모리 상태를 유지하고 또한 메모리 상태의 자유로운 변조가 수행될 수 있도록 하는, 위상학적으로 보호되는 광학 메모리 소자를 제공하는 데 그 목적이 있다. According to one aspect of the present invention, the present invention was created to solve the above problems, and based on the characteristic that the optical state is topologically protected, the memory state is stably maintained even against defects in the device or external noise, It is also an object to provide a topologically protected optical memory element, allowing free modulation of memory states to be performed.
본 발명의 일 측면에 따른 위상학적으로 보호되는 광학 메모리 소자는, 비선형적 이득을 갖는 제1 공진기; 비선형적 손실을 갖는 제2 공진기; 및 이득도 손실도 없는 제3 공진기;를 포함하고, 상기 제1 공진기와 상기 제2 공진기의 사이에 상기 제3 공진기가 결합되어 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 한다.A topologically protected optical memory device according to an aspect of the present invention includes a first resonator having a nonlinear gain; a second resonator with nonlinear loss; and a third resonator having neither gain nor loss, wherein the third resonator is coupled between the first resonator and the second resonator and formed on a substrate.
본 발명에 있어서, 상기 제1 공진기와 상기 제3 공진기 및 상기 제2 공진기와 상기 제3 공진기는 내부 빛의 상태를 위상학적으로 보호하기 위한 특정 결합 계수로 상호 결합되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the first resonator, the third resonator, the second resonator, and the third resonator are characterized in that they are mutually coupled with a specific coupling coefficient to topologically protect an internal light state.
본 발명에 있어서, 상기 제1 내지 제3 공진기에 각기 결합되는 3개의 도파관;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, it is characterized in that it further comprises; three waveguides respectively coupled to the first to third resonators.
본 발명에 있어서, 상기 도파관은, 외부의 광학 신호를 각 공진기에 입력하고, 각 공진기에서 반사되는 광학 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the waveguide is characterized in that an external optical signal is input to each resonator and an optical signal reflected by each resonator is output.
본 발명에 있어서, 상기 광학 메모리 소자는, 상기 각 공진기의 내부에 저장된 빛의 세기 분포에 의한 메모리 상태를 저장하고, 외부에서 도파관을 통해 지정된 광학 신호를 입력받아 메모리 상태가 온 또는 오프로 상호 전이되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the optical memory device stores a memory state based on the intensity distribution of light stored inside each resonator, receives a designated optical signal from the outside through a waveguide, and turns the memory state on or off. characterized by being
본 발명에 있어서, 상기 광학 메모리 소자의 메모리 상태는, 상기 각 공진기의 이득과 손실 간의 상대적 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the memory state of the optical memory device is characterized in that it is determined according to the relative size between gain and loss of each resonator.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 광학 상태가 위상학적으로 보호되는 특성을 바탕으로 소자 내의 결함이나 외부의 잡음에도 안정적으로 메모리 상태를 유지하고 또한 메모리 상태의 자유로운 변조가 수행될 수 있도록 한다.According to one aspect of the present invention, based on the characteristic that the optical state is topologically protected, the memory state can be stably maintained even against defects in the device or external noise, and free modulation of the memory state can be performed. .
또한 본 발명은 광집적회로, 광신경망 및 광인공지능 등에 사용되어 광학 상태의 저장과 처리를 안정적으로 수행할 수 있도록 한다.In addition, the present invention is used in optical integrated circuits, optical neural networks, optical artificial intelligence, etc. to stably perform storage and processing of optical states.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학 메모리 소자의 작동 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 상기 도 1에 있어서, 광학 메모리 소자에서 위상학적으로 보호되는 2개의 메모리 상태가 동시에 존재할 수 있는 원리를 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
도 3은 상기 도 1에 있어서, 광학 메모리 소자에서 공진기 내부의 초기 빛의 세기를 다르게 하여 서로 다른 메모리 상태에 도달하며, 위상학적 보호 특성에 의하여 빛이 정해진 메모리 상태로 수렴하는 것을 설명하기 위하여 보인 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학 메모리 소자의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.
도 5는 상기 도 4에 있어서, 본 실시 예에 따른 광학 메모리 소자가 시간에 따라 전광학적인 방법으로 빛 신호를 통한 변조를 통해 광학 메모리 상태의 전이가 가능함을 보여주는 예시도이다.
도 6은 상기 도 4에 있어서, 본 실시 예에 따른 광학 메모리 소자에 외부 신호 잡음이 입력되는 상황에서도 메모리 상태를 유지하면서, 전광학적인 방법으로 광학 메모리 상태의 상호 전이가 가능함을 보여주는 예시도이다.1 is an exemplary diagram for explaining an operating principle of an optical memory device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exemplary diagram shown to explain a principle in which two topologically protected memory states can simultaneously exist in an optical memory device in FIG. 1 .
FIG. 3 is shown to explain that, in FIG. 1, the optical memory device reaches different memory states by varying the initial light intensity inside the resonator, and converges to the memory state determined by the topological protection characteristics. is an example
4 is an exemplary view showing a schematic configuration of an optical memory device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an exemplary view showing that the optical memory device according to the present embodiment of FIG. 4 can transition an optical memory state through modulation using a light signal in an all-optical manner according to time.
FIG. 6 is an exemplary view showing that mutual transition of optical memory states is possible in an all-optical method while maintaining a memory state even when external signal noise is input to the optical memory device according to the present embodiment in FIG. 4 . .
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 위상학적으로 보호되는 광학 메모리 소자의 일 실시 예를 설명한다. Hereinafter, an embodiment of a topologically protected optical memory device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In this process, the thickness of lines or the size of components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of a user or operator. Therefore, definitions of these terms will have to be made based on the content throughout this specification.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학 메모리 소자의 작동 원리를 설명하기 위한 예시도이다.1 is an exemplary diagram for explaining an operating principle of an optical memory device according to an embodiment of the present invention.
도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에 따른 광학 메모리 소자는, 비선형적 이득(gain)을 갖는 제1 공진기(RES1)와 비선형적 손실(loss)을 갖는 제2 공진기(RES2)의 사이에 이득도 손실도 없는(neutral) 제3 공진기(RES3)가 결합 계수(coupling coefficient) κ로 상호 결합하여 구현되는 소자로서, ON-OFF 형태의 2개의 위상학적으로 보호되는 안정한 메모리 상태를 갖는다.As shown in (a) of FIG. 1 , the optical memory device according to the present embodiment includes a first resonator RES1 having a nonlinear gain and a second resonator RES2 having a nonlinear loss. ), a device implemented by mutual coupling of a neutral third resonator (RES3) with no gain or loss (neutral) with a coupling coefficient κ , and a stable memory state in which two ON-OFF types are topologically protected have
이 때 각 공진기(RES1 ~ RES3)의 내부에 저장된 빛의 세기 분포가 메모리 상태(예 : 온/오프)를 결정하므로, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 외부에서 상기 메모리 상태의 변환(즉, 변조)을 위한 지정된 광학 신호(ON light, OFF light)를 입력하면 다른 메모리 상태(즉, 온↔오프)로 전이가 가능하다.At this time, since the light intensity distribution stored inside each resonator (RES1 to RES3) determines the memory state (eg, on / off), as shown in (b) of FIG. 1, conversion of the memory state from the outside When a designated optical signal (ON light, OFF light) for (ie, modulation) is input, transition to another memory state (ie, on↔off) is possible.
이러한 광학 메모리 소자가 가질 수 있는 메모리 상태는 이득과 손실 간의 상대적 크기에 따라 결정되며, 이를 위해서는 메모리 상태의 전이 특성을 파악하기 이전에 정해진 이득과 손실에 따라 광학 메모리 소자가 어떤 메모리 상태에 도달할 수 있는지를 분석하는 과정이 선행될 필요가 있다. The memory state that such an optical memory device can have is determined according to the relative size between gain and loss. The process of analyzing whether it can be done needs to be preceded.
도 2는 상기 도 1에 있어서, 광학 메모리 소자에서 위상학적으로 보호되는 2개의 메모리 상태가 동시에 존재할 수 있는 원리를 설명하기 위하여 보인 예시도이다. FIG. 2 is an exemplary diagram shown to explain a principle in which two topologically protected memory states can simultaneously exist in an optical memory device in FIG. 1 .
도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 서로 다른 2개의 메모리 상태 중 일부가 하나의 광학 메모리 소자 안에 동시에 존재할 수 있는 경우를 시스템의 결합 특성 및 이득/손실 변수로 도출되는 시스템 변수 
도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 하나의 공진기에 존재하는 빛의 세기를 하나의 좌표축으로 표현해 만든 3차원 좌표계를 구성하면, 각각의 메모리 상태는 고유한 빛의 세기 분포를 가지므로 좌표계 상에서 하나의 점으로 표현된다. 따라서 이러한 점들 간의 전이는 공진기 내부의 빛의 세기를 바꿀 수 있는 외부 광학 변조 신호를 통해 이뤄질 수 있으며, 따라서 전광학적인 전이가 가능함을 보여준다. As shown in (b) of FIG. 2, if a three-dimensional coordinate system is constructed by expressing the light intensity present in one resonator as one coordinate axis, each memory state has a unique light intensity distribution, so that the coordinate system represented by a single point on the Therefore, the transition between these points can be achieved through an external optical modulation signal that can change the intensity of light inside the resonator, thus demonstrating that all-optical transition is possible.
도 2에 있어서, U1과 U2는 패리티-시간(Parity-Time) 대칭의 깨지지 않은 상태(unbroken state)에 의한 메모리 상태를 나타내며, BR은 패리티-시간(Parity-Time) 대칭의 깨진 상태(broken state)에 의한 메모리 상태를 나타낸다.2, U1 and U2 represent memory states by an unbroken state of parity-time symmetry, and BR represents a broken state of parity-time symmetry. ) indicates the memory state.
도 3은 상기 도 1에 있어서, 광학 메모리 소자에서 공진기 내부의 초기 빛의 세기를 다르게 하여 서로 다른 메모리 상태에 도달하며, 위상학적 보호 특성에 의하여 빛이 정해진 메모리 상태로 수렴하는 것을 설명하기 위하여 보인 예시도이다.FIG. 3 is shown to explain that, in FIG. 1, the optical memory device reaches different memory states by varying the initial light intensity inside the resonator, and converges to the memory state determined by the topological protection characteristics. is an example
도 3을 참조하면, 초기(t=0)에 공진기 내부에 빛의 세기를 다양하게 입력하더라도, 도 2에서 설명한 바와 같이, 시간이 지남에 따라(t=0 → t=T/100 → t=T/10 → t=T) 최종적으로 2종류의 안정된 메모리 상태에 도달하는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3, even if the intensity of light is variously input into the resonator at the beginning (t=0), as described in FIG. 2, over time (t=0 → t=T/100 → t= T/10 → t=T) Finally, it can be seen that two types of stable memory states are reached.
이 때 도 3에서 빨간색 점과 파란색 점은 색에 따라 다른 메모리 상태로 수렴하는 빛의 세기를 나타내고, 명확한 경계를 갖고 구분되어 있다는 점에서 외부 광학 변조 장치(미도시)를 이용하여 공진기 내부의 빛의 세기를 조절함으로써, 서로 다른 메모리 상태에 도달할 수 있음을 알 수 있다.At this time, in FIG. 3, the red and blue dots represent the intensity of light converging to different memory states according to colors, and are separated with clear boundaries. It can be seen that different memory states can be reached by adjusting the strength of .
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학 메모리 소자의 개략적인 구성을 보인 예시도이다.4 is an exemplary view showing a schematic configuration of an optical memory device according to an embodiment of the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에 따른 광학 메모리 소자는, 기판(ST) 상에 비선형적 이득(gain)을 갖는 제1 공진기(RES1)와 비선형적 손실(loss)을 갖는 제2 공진기(RES2)의 사이에 이득도 손실도 없는(neutral) 제3 공진기(RES3)가 내부 빛의 상태를 위상학적으로 보호하기 위한 특정 결합 계수(coupling coefficient) κ로 상호 결합되고, 각 공진기(RES1 ~ RES3)에 3개의 도파관(WG1 ~ WG3)(또는 광학 도파관)이 각기 결합된다. 상기 특정 결합 계수는 실험적으로 산출하거나 이론적 산출식에 기초하여 산출할 수도 있다.As shown in FIG. 4 , the optical memory device according to the present embodiment includes a first resonator RES1 having a nonlinear gain and a second resonator having a nonlinear loss on a substrate ST. A third resonator (RES3) having no gain or loss (neutral) between (RES2) is mutually coupled with a specific coupling coefficient κ for topologically protecting the state of internal light, and each resonator (RES1 to RES3), three waveguides (WG1 to WG3) (or optical waveguides) are respectively coupled. The specific coupling coefficient may be calculated experimentally or based on a theoretical formula.
상기 각 도파관(WG1 ~ WG3)을 통해 외부의 광학 신호가 각 공진기(RES1 ~ RES3)로 입력되고, 각 공진기(RES1 ~ RES3)에서 반사되는 광학 신호가 각 도파관(WG1 ~ WG3)을 통해 출력되며, 상기 각 도파관(WG1 ~ WG3)을 통해 출력되는 광학 신호를 통해 각 공진기(RES1 ~ RES3) 내부의 메모리 상태의 변화를 읽을 수 있게 된다. An external optical signal is input to each resonator (RES1 to RES3) through each of the waveguides (WG1 to WG3), and an optical signal reflected from each resonator (RES1 to RES3) is output through each waveguide (WG1 to WG3), , It is possible to read the change of the memory state inside each resonator (RES1 to RES3) through an optical signal output through each of the waveguides (WG1 to WG3).
이 때 상기 각 공진기(RES1 ~ RES3)와 상기 각 도파관(WG1 ~ WG3)의 결합은 상기 각 공진기(RES1 ~ RES3) 간의 결합보다는 약하게 결합되며(weakly-coupled), 상기 도파관(WG1 ~ WG3)을 통한 빛의 전광학적인(all-optical) 변조를 통해 상기 광학 메모리 소자의 메모리 상태의 전이가 가능하게 된다.At this time, the coupling between the resonators RES1 to RES3 and the waveguides WG1 to WG3 is weakly-coupled rather than the coupling between the resonators RES1 to RES3, and the waveguides WG1 to WG3 Transition of the memory state of the optical memory device is possible through all-optical modulation of light through the optical memory device.
참고로, 본 실시 예에 따는 광학 메모리 소자는, 외부 결함이나 외부의 신호 잡음에 견고하게 광학 메모리 상태를 전광학적으로(all-optically) 제어 가능하게 하기 위하여, 비선형적 이득(gain)과 손실(loss)이 있는 공진기를 결합해 패리티-시간(Parity-Time) 대칭성을 만족하는 광학 메모리 소자가 위상학적으로 보호되는 동역학적으로 안정한 진동 ??칭(oscillation quenching) 상태를 가질 수 있다는 성질을 활용한 것이다. 이러한 진동 ??칭 상태는 시간 변화, 신호에 포함된 잡음, 시스템의 결함 등에도 불구하고 각 공진기 내부의 빛의 세기가 일정하게 유지되는 상태를 의미하며, 따라서 빛의 세기 값 및 상기 메모리 소자의 결합된 공진기 내 분포 정보를 빛 신호에 대한 메모리 상태로 사용할 수 있다. 특히 패리티-시간(Parity-Time) 대칭성을 만족하는 광학 메모리 소자는, 에너지를 교환하는 열린 시스템(open system)임에도 불구하고 빛의 세기를 안정적으로 유지할 수 있다는 점을 통해, 외부에서 적절한 광학 신호를 넣어서 공진기 내부 빛의 세기를 바꾸는 방식으로 메모리 상태의 전이를 구현할 수 있다. 즉, 빛의 상태가 진동 ??칭 상태에서 위상학적으로 보호된다는 특징으로 인해, 외부 신호 잡음이나 광학 메모리 소자의 결함 등의 에러에 대하여 견고할 뿐만 아니라, 전광학적인 방식으로 메모리 상태를 저장하고 바꿀 수 있으므로, 매우 빠른 연산 속도와 높은 에너지 효율성을 갖는 인-메모리(in-memory) 프로세서를 구현할 수 있는 특징이 있다. For reference, the optical memory device according to the present embodiment has nonlinear gain and loss ( The property that an optical memory device that satisfies parity-time symmetry by combining a resonator with loss can have a dynamically stable oscillation quenching state that is topologically protected. will be. This vibration quenching state means a state in which the light intensity inside each resonator is kept constant despite time changes, noise included in signals, system defects, etc. Distribution information within the coupled resonator can be used as a memory state for light signals. In particular, an optical memory device that satisfies parity-time symmetry can stably maintain the intensity of light even though it is an open system that exchanges energy, so that an appropriate optical signal can be received from the outside. It is possible to implement the transition of the memory state by changing the intensity of light inside the resonator. That is, due to the feature that the light state is topologically protected from the vibrational quenching state, it is not only robust against errors such as external signal noise or defects in optical memory devices, but also stores the memory state in an all-optical manner. Since it can be changed, it has a feature capable of realizing an in-memory processor having a very fast calculation speed and high energy efficiency.
상술한 바와 같은 본 실시 예에 따른 광학 메모리 소자의 특징을 활용하기 위하여, 도 4에 도시된 바와 같은 본 실시 예에 따른 광학 메모리 소자를 바탕으로 두 메모리 상태의 전광학적인 상호 전이가 가능한지 여부에 대하여, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다.In order to utilize the characteristics of the optical memory device according to the present embodiment as described above, based on the optical memory device according to the present embodiment as shown in FIG. This will be described with reference to FIGS. 5 and 6.
도 5는 상기 도 4에 있어서, 본 실시 예에 따른 광학 메모리 소자가 시간에 따라 전광학적인 방법으로 빛 신호를 통한 변조를 통해 광학 메모리 상태의 전이가 가능함을 보여주는 예시도로서, 빛의 위상과 관계없이 빛의 세기가 설계된 변조 신호를 도파관을 통해 각 공진기에 입력(또는 입사)해 줌으로써 메모리 상태를 변경할 수 있음을 보여준다. FIG. 5 is an exemplary diagram showing that the optical memory device according to the present embodiment of FIG. 4 can transition an optical memory state through modulation through a light signal in an all-optical manner over time. Regardless of the light intensity, it shows that the memory state can be changed by inputting (or entering) the designed modulation signal to each resonator through a waveguide.
도 5를 참조하면, 본 실시 예에 따른 광학 메모리 소자의 공진기 내부 빛의 세기가 안정화되며, 첫 번째 메모리 상태에 도달한 후, 첫 화살표(①)로 표시된 순간에 도파관을 통해 광학적 신호를 공진기에 입력하게 되면 공진기 내부의 빛의 세기가 순간적으로 크게 변하게 되고, 위상학적으로 보호되는 진동 ??칭 상태의 특성에 따라, 빠른 시간 안에 이전과는 다른 두 번째 메모리 상태에 도달할 수 있게 된다. 이어서 두 번째 화살표(②)로 표시된 순간에 또 다른 광학 신호를 입력하면 처음 메모리 상태로 되돌아올 수 있다. 즉, 공진기 내부 빛의 세기 분포로 정보를 기억하고, 외부 광학 신호를 통해 메모리 상태의 상호 전이가 가능하게 된다.Referring to FIG. 5, the intensity of light inside the resonator of the optical memory device according to the present embodiment is stabilized, and after reaching the first memory state, an optical signal is transmitted to the resonator through the waveguide at the moment indicated by the
도 6은 상기 도 4에 있어서, 본 실시 예에 따른 광학 메모리 소자에 외부 신호 잡음이 입력되는 상황에서도 메모리 상태를 유지하면서, 전광학적인 방법으로 광학 메모리 상태의 상호 전이가 가능함을 보여주는 예시도로서, 도 5와 비교할 때, 메모리 상태의 변조 과정 중에 도파관을 통해 외부 신호 잡음이 들어오는 경우에도 메모리 상태를 유지할 수 있는 특성을 보여준다. FIG. 6 is an exemplary view showing that mutual transition of optical memory states is possible in an all-optical method while maintaining a memory state even when external signal noise is input to the optical memory device according to the present embodiment in FIG. 4; FIG. , compared with FIG. 5, it shows the characteristics of maintaining the memory state even when external signal noise enters through the waveguide during the modulation process of the memory state.
도 6을 참조하면, 외부 신호 잡음에 의해 공진기 내부 빛의 세기가 시간에 따라 조금씩 변하게 되지만, 각각의 메모리 상태는 위상학적으로 보호되어 원래 설계된 빛의 세기 값으로 수렴하게 됨으로써, 그 메모리 상태의 구분이 가능하며, 따라서 외부 광학 신호를 통해 메모리 상태의 전이가 가능하게 된다. Referring to FIG. 6, although the light intensity inside the resonator changes little by little over time due to external signal noise, each memory state is topologically protected and converges to the originally designed light intensity value, thereby distinguishing the memory state. This is possible, and thus the transition of the memory state is possible through an external optical signal.
상기와 같이 본 실시 예는 기존의 메모리와 프로세서가 분리되어있는 광학 회로와 비교했을 때 병목 현상을 해결하여, 연산 시간과 에너지 소모를 줄일 수 있는 효과가 있으며, 시스템의 결함이나 외부 신호 잡음이 발생했을 때도 광학 메모리 상태를 원하는 대로 유지하거나 변조할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present embodiment has the effect of reducing computation time and energy consumption by solving the bottleneck phenomenon compared to the existing optical circuit in which the memory and processor are separated, and system defects or external signal noise occur. Even when this is done, it has the effect of maintaining or modulating the optical memory state as desired.
즉, 본 실시 예는 광학 상태가 위상학적으로 보호되는 특성을 바탕으로 소자 내의 결함이나 외부의 잡음에도 안정적으로 메모리 상태를 유지하고 또한 메모리 상태의 자유로운 변조가 수행될 수 있도록 하는 효과가 있으며, 광집적회로, 광신경망 및 광인공지능 등에 사용되어 광학 상태의 저장과 처리를 안정적으로 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.That is, the present embodiment has the effect of stably maintaining the memory state even with defects in the device or external noise based on the characteristic that the optical state is topologically protected, and also enabling the free modulation of the memory state to be performed. It is used in integrated circuits, optical neural networks, and optical artificial intelligence, and has the effect of enabling stable storage and processing of optical states.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.The present invention has been described above with reference to the embodiments shown in the drawings, but this is only exemplary, and those skilled in the art can make various modifications and equivalent other embodiments. you will understand the point. Therefore, the technical protection scope of the present invention should be determined by the claims below. Implementations described herein may also be embodied in, for example, a method or process, an apparatus, a software program, a data stream, or a signal. Even if discussed only in the context of a single form of implementation (eg, discussed only as a method), the implementation of features discussed may also be implemented in other forms (eg, an apparatus or program). The device may be implemented in suitable hardware, software and firmware. The method may be implemented in an apparatus such as a processor, which is generally referred to as a processing device including, for example, a computer, microprocessor, integrated circuit or programmable logic device or the like. Processors also include communication devices such as computers, cell phones, personal digital assistants ("PDAs") and other devices that facilitate communication of information between end-users.
RES1 ~ RES3 : 공진기
WG1 ~ WG3 : 도파관
ST : 기판RES1 ~ RES3: Resonator
WG1 ~ WG3: Waveguide
ST: Substrate
Claims (6)
비선형적 손실을 갖는 제2 공진기; 및
이득도 손실도 없는 제3 공진기;를 포함하고,
상기 제1 공진기와 상기 제2 공진기의 사이에 상기 제3 공진기가 결합되어 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 위상학적으로 보호되는 광학 메모리 소자.
a first resonator having a nonlinear gain;
a second resonator with nonlinear loss; and
A third resonator having neither gain nor loss;
The topologically protected optical memory device according to claim 1 , wherein the third resonator is coupled between the first resonator and the second resonator and formed on a substrate.
상기 제1 공진기와 상기 제3 공진기 및
상기 제2 공진기와 상기 제3 공진기는 내부 빛의 상태를 위상학적으로 보호하기 위한 특정 결합 계수로 상호 결합되는 것을 특징으로 하는 위상학적으로 보호되는 광학 메모리 소자.
According to claim 1,
The first resonator and the third resonator and
The second resonator and the third resonator are topologically protected optical memory device, characterized in that mutually coupled with a specific coupling coefficient for topologically protecting the state of the internal light.
상기 제1 내지 제3 공진기에 각기 결합되는 3개의 도파관;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 위상학적으로 보호되는 광학 메모리 소자.
According to claim 1,
The topologically protected optical memory device further comprising three waveguides respectively coupled to the first to third resonators.
외부의 광학 신호를 각 공진기에 입력하고,
각 공진기에서 반사되는 광학 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 위상학적으로 보호되는 광학 메모리 소자.
The method of claim 3, wherein the waveguide,
An external optical signal is input to each resonator,
A topologically protected optical memory device characterized in that it outputs an optical signal reflected from each resonator.
상기 각 공진기의 내부에 저장된 빛의 세기 분포에 의한 메모리 상태를 저장하고, 외부에서 도파관을 통해 지정된 광학 신호를 입력받아 메모리 상태가 온 또는 오프로 상호 전이되는 것을 특징으로 하는 위상학적으로 보호되는 광학 메모리 소자.
The method of claim 1, wherein the optical memory device,
Stores a memory state by the intensity distribution of light stored inside each resonator, receives a specified optical signal from the outside through a waveguide, and mutually transitions the memory state to on or off. memory element.
상기 각 공진기의 이득과 손실 간의 상대적 크기에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 위상학적으로 보호되는 광학 메모리 소자.The method of claim 5, wherein the memory state of the optical memory device,
Topologically protected optical memory device, characterized in that determined according to the relative size between the gain and loss of each resonator.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220000869A KR102624621B1 (en) | 2022-01-04 | 2022-01-04 | Topologically-protected all-optical memory |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220000869A KR102624621B1 (en) | 2022-01-04 | 2022-01-04 | Topologically-protected all-optical memory |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230105463A true KR20230105463A (en) | 2023-07-11 |
| KR102624621B1 KR102624621B1 (en) | 2024-01-15 |
Family
ID=87159736
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220000869A KR102624621B1 (en) | 2022-01-04 | 2022-01-04 | Topologically-protected all-optical memory |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102624621B1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120189246A1 (en) * | 2009-10-12 | 2012-07-26 | International Business Machines Corporation | Electromagnetic wave isolator and integrated optics device |
| US20150116802A1 (en) * | 2013-10-24 | 2015-04-30 | University Of Rochester | Phase-Switched Optical Flip-Flops Using Two-Input Bistable Resonators and Methods |
| US20180261288A1 (en) * | 2017-03-13 | 2018-09-13 | Ted Greg Lee Frumkin | Loop memory cell |
| US20200041868A1 (en) * | 2018-08-02 | 2020-02-06 | University Of Oregon | Temporal modes of electromagnetic radiation using nonlinear optical cavities and shaped laser pulses |
-
2022
- 2022-01-04 KR KR1020220000869A patent/KR102624621B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120189246A1 (en) * | 2009-10-12 | 2012-07-26 | International Business Machines Corporation | Electromagnetic wave isolator and integrated optics device |
| US20150116802A1 (en) * | 2013-10-24 | 2015-04-30 | University Of Rochester | Phase-Switched Optical Flip-Flops Using Two-Input Bistable Resonators and Methods |
| US20180261288A1 (en) * | 2017-03-13 | 2018-09-13 | Ted Greg Lee Frumkin | Loop memory cell |
| US20200041868A1 (en) * | 2018-08-02 | 2020-02-06 | University Of Oregon | Temporal modes of electromagnetic radiation using nonlinear optical cavities and shaped laser pulses |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102624621B1 (en) | 2024-01-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101018921B1 (en) | Optical modulator | |
| Roy et al. | Design of micro-ring resonator-based all-optical logic shifter | |
| Rakshit et al. | A theoretical study of all optical clocked D flip flop using single micro-ring resonator | |
| EP3296781B1 (en) | On-chip optical interconnection structure and network | |
| Thirumaran et al. | Design and analysis of photonic crystal ring resonator based 6× 6 wavelength router for photonic integrated circuits | |
| WO2023160089A1 (en) | Message broadcasting method for blockchain network, and blockchain node and blockchain system | |
| CN103529521A (en) | Serially connected optical switch based photon delay structure and numerical-control integrated photon delay device | |
| Sivaranjani et al. | Photonic crystal based all-optical half adder: a brief analysis | |
| US20210119101A1 (en) | High-saturation power josephson ring modulators | |
| Touch et al. | Digital optical processing of optical communications: towards an Optical Turing Machine | |
| Rakshit et al. | Design of all-optical time-division multiplexing scheme with the help of microring resonator | |
| CN109946790B (en) | Light polarization modulator and light polarization modulation method | |
| CN105051598B (en) | A kind of optical numerical value full adder, the full adding method of optical numerical value and device | |
| KR20230105463A (en) | Topologically-protected all-optical memory | |
| US20020001112A1 (en) | N-valued optical logic architecture and method | |
| Rakshit et al. | All optical clocked D flip flop using single micro-ring resonator | |
| CN109787813B (en) | SDN-based service chain configuration method, device, system and medium | |
| Bakhtiar et al. | All optical residue arithmetic with micro ring resonators and its application | |
| CN113392966B (en) | Method, equipment and storage medium for realizing neural network average pooling | |
| Leurent | ARXtools: A toolkit for ARX analysis | |
| CN113272833B (en) | Reducing spontaneous emission and thermo-photon noise in quantum computing machines using current-grounded filters | |
| CN103595419A (en) | N-bit binary-system electro-optic odd-even checker | |
| US7567737B2 (en) | Variable light signal delay apparatus, and variable light signal delay system using the same | |
| WO2001090813A2 (en) | N-valued optical logic architecture and method | |
| Duro et al. | Modeling and analysis of the performance of exascale photonic networks |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |