Researchers use phase-change materials to demonstrate an integrated optical memory with 13.4 pJ switching energy. Implementing on-chip non-volatile photonic memories has been a long-term, yet elusive goal. Photonic data storage would dramatically improve performance in existing computing architectures1 by reducing the latencies associated with electrical memories2 and potentially eliminating optoelectronic conversions3. Furthermore, multi-level photonic memories with random access would allow for leveraging even greater computational capability4,5,6. However, photonic memories3,7,8,9,10 have thus far been volatile. Here, we demonstrate a robust, non-volatile, all-photonic memory based on phase-change materials. By using optical near-field effects, we realize bit storage of up to eight levels in a single device that readily switches between intermediate states. Our on-chip memory cells feature single-shot readout and switching energies as low as 13.4 pJ at speeds approaching 1 GHz. We show that individual memory elements can be addressed using a wavelength multiplexing scheme. Our multi-level, multi-bit devices provide a pathway towards eliminating the von Neumann bottleneck and portend a new paradigm in all-photonic memory and non-conventional computing.

Abstract Optical phase change materials (O-PCMs), a unique group of materials featuring exceptional optical property contrast upon a solid-state phase transition, have found widespread adoption in photonic applications such as switches, routers and reconfigurable meta-optics. Current O-PCMs, such as Ge–Sb–Te (GST), exhibit large contrast of both refractive index (Δ n ) and optical loss (Δ k ), simultaneously. The coupling of both optical properties fundamentally limits the performance of many applications. Here we introduce a new class of O-PCMs based on Ge–Sb–Se–Te (GSST) which breaks this traditional coupling. The optimized alloy, Ge 2 Sb 2 Se 4 Te 1 , combines broadband transparency (1–18.5 μm), large optical contrast (Δ n = 2.0), and significantly improved glass forming ability, enabling an entirely new range of infrared and thermal photonic devices. We further demonstrate nonvolatile integrated optical switches with record low loss and large contrast ratio and an electrically-addressed spatial light modulator pixel, thereby validating its promise as a material for scalable nonvolatile photonics.

An on-chip photonic device mimics the function of synaptic connections between neurons.

Active metasurfaces promise reconfigurable optics with drastically improved compactness, ruggedness, manufacturability and functionality compared to their traditional bulk counterparts. Optical phase-change materials (PCMs) offer an appealing material solution for active metasurface devices with their large index contrast and non-volatile switching characteristics. Here we report a large-scale, electrically reconfigurable non-volatile metasurface platform based on optical PCMs. The optical PCM alloy used in the devices, Ge2Sb2Se4Te (GSST), uniquely combines giant non-volatile index modulation capability, broadband low optical loss and a large reversible switching volume, enabling notably enhanced light–matter interactions within the active optical PCM medium. Capitalizing on these favourable attributes, we demonstrated quasi-continuously tuneable active metasurfaces with record half-octave spectral tuning range and large optical contrast of over 400%. We further prototyped a polarization-insensitive phase-gradient metasurface to realize dynamic optical beam steering. An electrically reconfigurable optical metasurface using a Ge2Sb2Se4Te phase change material shows half an octave spectral tuning and promising performances for optical beam steering applications.

Collocated data processing and storage are the norm in biological computing systems such as the mammalian brain. As our ability to create better hardware improves, new computational paradigms are being explored beyond von Neumann architectures. Integrated photonic circuits are an attractive solution for on-chip computing which can leverage the increased speed and bandwidth potential of the optical domain, and importantly, remove the need for electro-optical conversions. Here we show that we can combine integrated optics with collocated data storage and processing to enable all-photonic in-memory computations. By employing nonvolatile photonic elements based on the phase-change material, Ge2Sb2Te5, we achieve direct scalar and matrix-vector multiplication, featuring a novel single-shot Write/Erase and a drift-free process. The output pulse, carrying the information of the light-matter interaction, is the result of the computation. Our all-optical approach is novel, easy to fabricate and operate, and sets the stage for development of entirely photonic computers.

Active metasurfaces, whose optical properties can be modulated post-fabrication, have emerged as an intensively explored field in recent years. The efforts to date, however, still face major performance limitations in tuning range, optical quality, and efficiency especially for non mechanical actuation mechanisms. In this paper, we introduce an active metasurface platform combining phase tuning covering the full 2$\pi$ range and diffraction-limited performance using an all-dielectric, low-loss architecture based on optical phase change materials (O-PCMs). We present a generic design principle enabling switching of metasurfaces between two arbitrary phase profiles and propose a new figure-of-merit (FOM) tailored for active meta-optics. We implement the approach to realize a high-performance varifocal metalens operating at 5.2 $\mu$m wavelength. The metalens is constructed using Ge2Sb2Se4Te1 (GSST), an O-PCM with a large refractive index contrast ($\Delta$ n > 1) and unique broadband low-loss characteristics in both amorphous and crystalline states. The reconfigurable metalens features focusing efficiencies above 20% at both states for linearly polarized light and a record large switching contrast ratio of 29.5 dB. We further validated aberration-free imaging using the metalens at both optical states, which represents the first experimental demonstration of a non-mechanical active metalens with diffraction-limited performance.

Machines that simultaneously process and store multistate data at one and the same location can provide a new class of fast, powerful and efficient general-purpose computers. We demonstrate the central element of an all-optical calculator, a photonic abacus, which provides multistate compute-and-store operation by integrating functional phase-change materials with nanophotonic chips. With picosecond optical pulses we perform the fundamental arithmetic operations of addition, subtraction, multiplication, and division, including a carryover into multiple cells. This basic processing unit is embedded into a scalable phase-change photonic network and addressed optically through a two-pulse random access scheme. Our framework provides first steps towards light-based non-von Neumann arithmetic.

Optically storing and addressing data on photonic chips is of particular interest as such capability would eliminate optoelectronic conversion losses in data centers. It would also enable on-chip non-von Neumann photonic computing by allowing multinary data storage with high fidelity. Here, we demonstrate such an optically addressed, multilevel memory capable of storing up to 34 nonvolatile reliable and repeatable levels (over 5 bits) using the phase change material Ge2Sb2Te5 integrated on a photonic waveguide. Crucially, we demonstrate for the first time, to the best of our knowledge, a technique that allows us to program the device with a single pulse regardless of the previous state of the material, providing an order of magnitude improvement over previous demonstrations in terms of both time and energy consumption. We also investigate the influence of write-and-erase pulse parameters on the single-pulse recrystallization, amorphization, and readout error in our multilevel memory, thus tailoring pulse properties for optimum performance. Our work represents a significant step in the development of photonic memories and their potential for novel integrated photonic applications.

Phase-change materials integrated into nanophotonic circuits provide a flexible way to realize tunable optical components. Relying on the enormous refractive-index contrast between the amorphous and crystalline states, such materials are promising candidates for on-chip photonic memories. Nonvolatile memory operation employing arrays of microring resonators is demonstrated as a route toward all-photonic chipscale information processing.

Integrated chip‐level photonics has the potential to revolutionize future computer systems by eliminating the “von‐Neumann information bottleneck” and the power losses resulting from the use of electrical interconnects. Yet, the need for optical‐to‐electrical conversion has so far hindered the implementation of chip‐level all‐optical routing schemes, which remain operational without continuous power consumption. Here, a crucial component to successful implementation of such all‐photonic networks is demonstrated – an effective, practicable all‐optical nonvolatile switch. Current integrated all‐optical switches require constant bias power to operate, and lose their state when it is removed. By contrast, our switch is entirely nonvolatile, with the direction of light flow altered by switching the phase state of an embedded phase‐change cell using 1 ps optical pulses. High on/off switching contrast devices are achieved that are fully integrated and compatible with existing photonic circuits. It is shown that individual switching events occur with transition times below 200 ps and thus hold promise for ultrafast light routing on chip. The approach offers a reliable and simple route toward hybrid reconfigurable photonic devices without the need for electrical contacting.