CN108470575B - 基于Ge2Sb2Te5的仿神经全光记忆器件 - Google Patents
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Abstract
基于Ge2Sb2Te5的仿神经全光记忆器件，属于皮秒激光应用技术领域。本发明基于多脉冲作用和STDP神经记忆理论。非晶态Ge2Sb2Te5和光波导耦合，Ge2Sb2Te5通过磁控溅射的方式附着于光波导上，耦合区域为仿生神经突触间隙。本器件可以通过全光信号实现器件的读取、记忆与擦除的过程。并且由于晶态Ge2Sb2Te5的折射率高于非晶态的折射率，这使得材料晶化后相对于非晶态光更易于往Ge2Sb2Te5方向偏折，这有利于记忆区的信息保持，使器件在使用过程中不断强化记录。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于相变材料Ge2Sb2Te5的仿生记忆器件，采用皮秒激光作为能量和信号发生源，属于皮秒激光应用技术领域。
背景技术
在计算机科学领域，计算机广泛使用诺依曼结构。即输入信息由CPU编码，存到存储器的确定位置上，使用该数据时再从存储器中提取信息，这导致信息频繁往返于CPU和存储器。由于存储器与CPU之间带宽的限制，CPU的运算速度远大于信息往返于存储器和CPU之间线路的速度，导致实际运算速度的下降和功耗的提升，这称为诺依曼瓶颈。在进行需要大量存储信息的简单运算时(如图像识别等)，运算速度和功耗都受到诺依曼瓶颈的限制。因此设计一种突破诺依曼瓶颈的，处理器与存储器与一体的计算机结构，对未来计算机的发展十分重要。
突破诺依曼瓶颈的方案其实就在眼前，人脑就是一种处理器与存储器与一体的结构。人脑具有千亿个平行运算单元，可以完成非平行的信息处理。大脑的工作频率大约为10Hz，能量密度为每平方厘米10毫瓦。对比现在的计算机，工作频率为几GHz，能量密度可达100瓦每平方厘米。研究和对人脑的仿生一直是神经学家和计算机学家研究的重点。对于神经的记忆方法，Guo-qiang Bi和Mu-ming Poo在他们的研究中提出了一种理论，认为神经的记忆与突出前后电信号的时间差相关。通过研究他们发现突触前神经的信号先于突触后神经的信号到达突触，即可产生一种增益，使随后的神经信号易于通过突触。若突触后神经信号先于突触前神经信号到达突出，则会产生一种阻碍，使随后的电信号的传输在突触处受到阻碍。这种神经记忆理论被称为STDP(Spike-timing-dependent plasticity)
Ge2Sb2Te5是一种优秀的非易失性超快相变存储材料，通过电或光作用在材料上可以使材料生热，由于热作用的影响，可以使Ge2Sb2Te5实现其从晶态到非晶态以及非晶态到晶态的逆过程。当热高于晶化温度并低于非晶化温度时，材料可以从非晶态转变为晶态，当热高于非晶化温度，材料可由晶态转变为非晶态。Ge2Sb2Te5具有相变速度快、相变重复性强、非易失性、晶态于非晶态之间物理性质差异显著等优点。这使Ge2Sb2Te5成为一种极具应用价值的相变存储材料。
对1064nm的光，晶态Ge2Sb2Te5的折射率约为6，非晶态约为4。二氧化硅光纤芯层折射率约为1.5。由于Ge2Sb2Te5的折射率大于芯层折射率，当光通过Ge2Sb2Te5所在区域时，光纤中场向材料方向偏折，导致通过Ge2Sb2Te5的光的强度降低。晶态相对于非晶态的折射率高，因此场向Ge2Sb2Te5方向偏折得更多，反应在光纤上就是通过材料的光的透过率降低。
当下的计算机主要使用电信号，但随着导线宽度的降低，电流的热效应越来越明显，造成了严重的能源浪费。并且随着线宽的降低，电子隧穿效应导致进一步增大CPU处理器密度受到了严重障碍。使用全光信号处理信息，可以避免电流生热以及电子隧穿效应。
发明内容
本发明设计了一种基于Ge2Sb2Te5的全光控制非易失性存储器。
基于Ge2Sb2Te5的仿神经全光记忆器件，其特征在于，将Ge2Sb2Te5和光波导进行耦合，Ge2Sb2Te5通过磁控溅射的方式附着于光波导中间一段的表面上形成耦合区，光波导左右两端通过光栅与光子光路耦合。
光波导为棒状结构，光栅位于棒状结构轴向的两端。Ge2Sb2Te5附着于光波导中间一段的表面上形成封闭环状结构。
Ge2Sb2Te5和光波导的耦合，控制通过Ge2Sb2Te5的光信号时间差，实现存储信息。使用皮秒激光作用于材料，存储速度快。该器件可以实现运算器与存储器的快速响应，突破诺依曼瓶颈，提高运算速度并降低能耗。
本发明基于多脉冲作用和STDP神经记忆理论，如图1所示；非晶态Ge2Sb2Te5和光波导耦合，光波导为石英光波导，折射率为1.445至1.446，Ge2Sb2Te5通过磁控溅射的方式附着于光波导上，光波导轴向左右两端通过光栅与光子光路耦合。
设从左至右的轴向方向为信号的传输方向，Ge2Sb2Te5与光波导的耦合区域为仿生神经突触，类比于图2的突触间隙区域。沿信号传输方向，耦合区左边的光波导类比于图2中的突触前神经细胞，耦合区右边的光波导类比于图2中的突触后神经细胞。
基于Ge2Sb2Te5的仿神经全光记忆器件的工作步骤如下：
步骤一：使一系列脉冲能量低于Ge2Sb2Te5晶化阈值的光脉冲从光波导左端进入光波导；测定此时光波导的透过率，设此时的透过率为T0，实现记忆器件数据的读取；
步骤二：从光波导左右两端分别入射一系列光脉冲，优选两端的光脉冲相同，且两端系列脉冲能量均低于Ge2Sb2Te5晶化阈值；调节从左右两端输入光波导的光脉冲时间差，当左右端两列光脉冲在Ge2Sb2Te5与光波导耦合区进行耦合时，使得第一列光脉冲通过耦合区后作用在Ge2Sb2Te5材料上的热效应未完全扩散，第二列光脉冲就到达偶合区并给予Ge2Sb2Te5能量，使得具有时间差的两者光脉冲在Ge2Sb2Te5材料上耦合之后的能量之和大于晶化阈值，小于非晶化阈值，则发生相变；此时光波导的透过率为Tc，实现数据的记录；优选两端光脉冲使用皮秒激光；
步骤三：从光波导左右两端分别入射一系列光脉冲，优选两端的光脉冲相同，优选两端的光脉冲相同，且两端系列脉冲能量均低于Ge2Sb2Te5晶化阈值；当左右两端的光脉冲在Ge2Sb2Te5与光波导耦合区进行叠加(即脉冲为完全叠加，没有时间差，耦合后的能量即为左右两端光脉冲能量之和)，通过偶合区的两束脉冲发生叠加效应，使两者叠加后的能量大于Ge2Sb2Te5材料的非晶化阈值，优选两端光脉冲使用皮秒激光，由于使用皮秒激光作用，脉宽极短，Ge2Sb2Te5熔融淬冷生成非晶态，实现数据的擦除。
通过以上操作步骤可以通过全光信号实现存储器单元读取、记忆与擦除的过程。使用皮秒激光作用，实现数据的快速存储。
该器件的工作基于多脉冲作用和STDP神经记忆理论，控制通过Ge2Sb2Te5的光信号时间差，实现存储信息。
该器件为全光控制的存储器件，通过光子光路和光电控制器控制器件中的光信号。
值得注意的是晶态Ge2Sb2Te5的折射率高于非晶态的折射率，这使得材料晶化后相对于非晶态光更易于往Ge2Sb2Te5方向偏折，这有利于记忆区的信息保持，使器件在使用过程中不断强化记录。
附图说明
图1是本仿神经全光子记忆器件的结构图；
图2是全光子记忆器件各部分与生物神经的结构对照图；
图3是本仿神经全光子记忆器件的工作示意图；
图4是仿神经全光子记忆器件读取时通过偶合区的脉冲示意图；
图5是仿神经全光子记忆器件记录时通过偶合区的脉冲示意图；
图6是仿神经全光子记忆器件擦除时通过偶合区的脉冲示意图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。如图3，本仿神经全光子记忆器件的工作示意图所示，该装置由如下几个部分组成：1、皮秒激光器，本实验采用EKSPLA公司生产的皮秒激光器，中心波长为1064nm，光强分布为高斯型，线偏振。2、光电调制器，通过光电调制器调节从光波导右端输入的光脉冲，调节两束光脉冲在耦合区的时间差。3、功率计，通过功率计检测通过光波导的光能量变化，从而反映Ge2Sb2Te5和光波导耦合造成的透过率的变化。
(1)如图3所示将各部分连接好；
(2)设置激光器，在仿神经全光子记忆器件的左端，输出能量为240pJ，脉宽为17ps，重频为2kHz的一系列光脉冲。由于此时输出激光的能量较低，达不到Ge2Sb2Te5的晶化能量，定义此时的透过率为T0，可参见图4。
(3)激光器输出不变，调节光电调制器，在仿神经全光子记忆器件右端输入能量为240pJ，脉宽为17ps，重频为2kHz的一系列光脉冲，通过示波器检测左右两端输入器件的波形，调节从左右两端输入器件的光脉冲时间差。当波形如图5所示时，由于脉冲对材料的热效应未及时扩散第二束脉冲就作用到耦合区，产生了叠加效应，导致作用到材料上的能量高于晶化阈值又低于非晶化阈值。因此，在光脉冲的作用下材料发生相变，由非晶态变为晶态。
(4)激光器输出不变，调节光电调制器，通过示波器检测左右两端输入器件的波形，调节左右两端输入器件的光脉冲时间差。当波形如图6所示时由于脉冲的叠加效应，导致作用到材料上的能量高于非净化阈值，因此在光脉冲的作用下，材料发生相变由晶态变为非晶态。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.基于Ge2Sb2Te5的仿神经全光记忆器件的工作方法，基于Ge2Sb2Te5的仿神经全光记忆器件：将Ge2Sb2Te5和光波导进行耦合，Ge2Sb2Te5通过磁控溅射的方式附着于光波导中间一段的表面上形成耦合区，光波导左右两端通过光栅与光子光路耦合；包括以下步骤：
步骤一：使一系列脉冲能量低于Ge2Sb2Te5晶化阈值的光脉冲从光波导左端进入光波导；测定此时光波导的透过率，设此时的透过率为T0，实现记忆器件数据的读取；
步骤二：从光波导左右两端分别入射一系列光脉冲，两端的光脉冲相同，且两端系列脉冲能量均低于Ge2Sb2Te5晶化阈值；调节从左右两端输入光波导的光脉冲时间差，当左右端两列光脉冲在Ge2Sb2Te5与光波导耦合区进行耦合时，使得第一列光脉冲通过耦合区后作用在Ge2Sb2Te5材料上的热效应未完全扩散，第二列光脉冲就到达耦合区并给予Ge2Sb2Te5能量，使得具有时间差的两列光脉冲在Ge2Sb2Te5材料上耦合之后的能量之和大于晶化阈值，小于非晶化阈值，则发生相变；此时光波导的透过率为Tc，实现数据的记录；两端光脉冲使用皮秒激光；
步骤三：从光波导左右两端分别入射一系列光脉冲，两端的光脉冲相同，且两端系列脉冲能量均低于Ge2Sb2Te5晶化阈值；当左右两端的光脉冲在Ge2Sb2Te5与光波导耦合区进行叠加，通过耦合区的两束脉冲发生叠加效应，使两者叠加后的能量大于Ge2Sb2Te5材料的非晶化阈值，两端光脉冲使用皮秒激光，由于使用皮秒激光作用，脉宽极短，Ge2Sb2Te5熔融淬冷生成非晶态，实现数据的擦除。
2.按照权利要求1所述的基于Ge2Sb2Te5的仿神经全光记忆器件的工作方法，其特征在于，光波导为棒状结构，光栅位于棒状结构轴向的两端；Ge2Sb2Te5附着于光波导中间一段的表面上形成封闭环状结构。
3.按照权利要求1所述的基于Ge2Sb2Te5的仿神经全光记忆器件的工作布置，其特征在于，光波导为石英光波导，折射率为1.445至1.446。
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