OFC2025 | 非易失性 III-V/Si 微环激光器在存储搜索应用中的研究

逍遥设计自动化

引言
内容寻址存储器（CAM）是一种专门设计用于高速数据搜索的存储架构。与常规存储器基于地址检索数据不同，CAM能够同时将搜索词与存储数据进行比较，并在单个时钟周期内返回匹配地址。这种能力使CAM在需要快速表格查询的应用中非常有价值，例如网络路由器、交换机和执行数据包路由和检查的智能网卡（Smart-NIC）。
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三态内容寻址存储器（TCAM）通过允许每个位有三种状态：0、1或X（不关心），提供了比二进制CAM更大的灵活性。最近的研究表明，具有编码搜索和数据词的TCAM可以执行对各种机器学习算法重要的内存计算功能。

光学CAM实现与电子版本相比具有显著优势，特别是更高的信号数据速率和更低的延迟。之前的研究已经探索了使用波长分割复用（WDM）和时分复用（TDM）方法的微环谐振器（MRR）光学TCAM架构。

本文探讨了一种创新的WDM O-TCAM架构，该架构利用非易失性III-V/Si微环激光器（MRL）作为存储元件，与早期设计相比，实现了微环数量显著减少[1]。
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, C  Y3 M. j0 B9 R7 L, C使用微环激光器的WDM O-TCAM架构
& j# M. n! P; c$ F& l- z' F所提出的架构采用集成非易失性存储的III-V/Si微环激光器，与之前的WDM O-TCAM设计相比，微环数量减少了一半。这种方法利用波长编码来表示内容寻址存储器操作中使用的三态符号（0、1、X）。

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图1. MRL-MRR WDM O-TCAM架构的示意图。左半部分显示存储在非易失性MRL阵列中的数据符号，而右半部分显示通过MRR阵列实现的搜索符号。PD输出电流值指示搜索词与存储词的匹配程度。

如图1所示，每个MRL和MRM都使用自己的一组波长工作，每个波长代表一个不同的符号状态。与存储的数据符号相关的MRL状态由激光波长决定。同时，MRM共振由搜索符号按数据速率调制。由于存储器库设计用于长期存储，因此低速驱动器足以将数据词存储在MRL中。

  m! D' Q) _  d这种基于MRL的WDM O-TCAM实现的编码方案在表1中详细说明。当来自MRL的光耦合到MRM中时，会在MRM内嵌的光电探测器（PD）输出处测量到电流，表示不匹配。该架构可以在直通端口监测匹配状态，从而将PD数量减少到只有一个。

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4 ^& L9 _7 P3 }5 Z0 E& q核心技术
该架构的物理实现依赖于具有非易失性能力的III-V/Si微环激光器的先进制造工艺。

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" ]# A6 e: [5 N' p图2. (a) 制造的MRL俯视图，显示环形结构。(b) 横截面图显示III-V/Si集成。(c) 所有5个MRL在不同状态下测量的非易失性光谱。(d) 非易失性激光状态的近距离视图。(e) 各种非易失性状态的峰值波长随时间变化。

如图2所示，制造的MRL具有精确设计，其中MRL1的半径为24.25μm，每个连续级联的MRL都增加了243nm的长度。这种设计选择使相邻MRL之间的计算波长通道间隔为2nm，使阵列中的每个元素能够清晰识别波长。
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6 Q- O( |' X: l) }, m操作参数包括对每个激光器施加27mA的偏置，以实现顺时针（CW）和逆时针（CCW）方向的单模激光。为建立非易失性状态，对每个MRL施加0、-2、-4和-6V的编程电压，持续5分钟。通过关闭电压源后记录数据来评估这些非易失性状态的保持时间。

结果系统展示了每个MRL的四种不同非易失性激光状态。考虑到五个MRL的阵列，该设置产生了能够存储1024个不同状态的光学存储库。通过监测每个非易失性激光状态的峰值波长偏移，研究人员观察到最大非易失性波长偏移为-80pm，这提供了足够的分离度以实现可靠的状态区分。

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) M9 }+ I1 P; A" \模拟结果和性能分析
为了验证WDM O-TCAM架构的操作原理，使用两个连续波长（CW）激光器模拟MRL，以及集成了SiGe雪崩光电二极管的硅基光电子（SiPh）微环调制器作为内容比较引擎，模拟了单符号线路。
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# ?* |% o+ Y6 E5 w$ j8 I图3. MRL WDM O-TCAM线路的模拟结果。(a) 搜索信号X1X0X。(b-d) 与存储的数据符号0、1和X比较时来自TIA输出的匹配信号。(e-g) 10Gbps匹配信号的眼图。(h) 基于MRL的O-TCAM能耗比较。
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在模拟中，来自CW激光器（表示存储的数据符号）的光被发送到MRM，在那里被搜索序列调制，有效地比较数据和搜索符号。为了探索所有内容搜索组合，搜索序列设置为X1X0X，而存储的数据在0、1和X之间变化。
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  i4 y. K. ]! Q+ R* O驱动MRM的搜索信号以10Gbps运行，如图3a所示。不同存储数据值的匹配信号如下所示：图3b（d = 0）、图3c（d = 1）和图3d（d = X）。在所有三种情况下，决策点（由加号标记）确认匹配信号符合编码表中概述的决策方案。
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' o6 }2 D. D- i: m* y搜索符号取自二进制集时的匹配信号眼图分别在图3e-g中呈现，对应存储数据符号0、1和X。这些图中明显开放的眼表明O-TCAM在高数据速率下正确可靠地运行。
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还对不同符号计数研究了能耗性能。具有5个三态符号的基于MRL的O-TCAM的端到端能耗测量为1156 fJ/符号。通过将MRL的效率提高到20%，模拟显示此能耗可降低到703 fJ/符号。

虽然集成到光网络中的电气TCAM可能具有更低的直接能耗，但需要额外的下变换器来匹配信号数据速率与搜索速度。这种转换步骤引入了在提出的基于MRL的O-TCAM架构中不必要的延迟，突显了其在光网络应用中的关键优势之一。
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5 e& S7 H: X* C" \; p$ J结论
1 j2 Q' [, m- v0 M$ Z. i本文展示了非易失性存储元件与III-V/Si光源的集成，实现了能效高、无静态功耗的非易失性波长调谐。所提出的架构展示了五个级联MRL的阵列，每个激光器展示了四个可编程的非易失性状态，最大波长偏移为80pm，信号消光比为40dB。

% {# z  H: i+ e+ I9 u这种创新的O-TCAM架构采用级联MRL进行数据词存储，以及级联MRM确定每个搜索和数据符号之间的匹配状态。通过在波长域中编码三态搜索和数据符号，与之前的WDM O-TCAM架构相比，这种方法实现了微环资源减少一半。

参考文献
[1] S. Cheung et al., "Arrays of Non-Volatile III-V/Si Micro-Ring Lasers for Memory Search Applications," in OFC 2025, Optica Publishing Group, 2025, Paper Th1C.5.
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