CN114280719B - 一种基于微纳光纤的非线性激活器及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微纳光纤的非线性激活器及其制备方法与应用，其中，方法包括步骤：对标准单模光纤进行熔融拉伸处理，得到微纳光纤，所述微纳光纤的中间部位形成有锥区；在所述微纳光纤的锥区沉积二维材料，制得所述基于微纳光纤的非线性激活器。本发明通过在微纳光纤的锥区沉积液相剥离的二维材料，制得非线性激活器；利用二维材料与微纳光纤倏逝场的相互作用，完成输入输出的非线性运算，并且所述微纳光纤两端为标准单模光纤，可以直接与光计算芯片相连接，可适用于不同结构的光计算芯片，且响应速度极快，是一种通用的全光非线性激活器。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光纤技术领域，尤其涉及一种基于微纳光纤的非线性激活器及其制备方法与应用。
背景技术
目前，芯片上的光学神经网络主要由马赫-曾德尔干涉仪(MZI)阵列、微环谐振腔(MRR)阵列等来实现，但是它们只能实现线性矩阵运算，一系列线性方程的运算最终都可以用一个线性方程表示，所以只靠线性矩阵运算无法满足复杂的计算需求。在神经网络中，非线性激活函数可以加快网络的收敛速度，提升识别准确率，是光计算芯片中不可缺少的组成部分。然而，光电子器件相比电子器件实现非线性函数更加困难，并且现有已实现的非线性函数存在很多非理想特性。因此，制备出一种可以在任一光学神经网络芯片、系统上使用的、通用性的全光非线性激活器显得尤为重要。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于微纳光纤的非线性激活器及其制备方法与应用，旨在解决现有全光非线性激活器响应时间缓慢，制备工艺难度较高，以及重复率较低的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于微纳光纤的非线性激活器的制备方法，其中，包括步骤：
对标准单模光纤进行熔融拉伸处理，得到微纳光纤，所述微纳光纤的中间部位形成有锥区；
在所述微纳光纤的锥区沉积二维材料，制得所述基于微纳光纤的非线性激活器。
所述基于微纳光纤的非线性激活器的制备方法，其中，所述对标准单模光纤进行熔融拉伸处理，得到微纳光纤的步骤包括：
将所述标准单模光纤置于氢氧火焰下，控制拉伸参数，对所述标准单模管线进行熔融拉伸处理，得到微纳光纤，所述微纳光纤的中间部位形成有锥区；
在熔融拉伸处理过程中对所述微纳光纤进行动态损耗监测，筛选损耗一致的所述微纳光纤固定在基底上，备用。
所述基于微纳光纤的非线性激活器的制备方法，其中，所述微纳光纤的锥区直径为1-3μm。
所述基于微纳光纤的非线性激活器的制备方法，其中，所述二维材料为石墨烯、过渡金属硫化物、过渡金属碳化物、黑磷中的一种。
所述基于微纳光纤的非线性激活器的制备方法，其中，在所述微纳光纤的锥区沉积二维材料，制得所述基于微纳光纤的非线性激活器的步骤包括：
将二维材料分散在有机溶剂中，制得二维材料分散液；
将所述微纳光纤置于光学显微镜下，通过激光器在所述微纳光纤的一端通入连续光，并将所述二维材料分散液滴加在所述微纳光纤的锥区，通过光泳力在所述微纳光纤的锥区沉积二维材料，制得所述基于微纳光纤的非线性激活器。
所述基于微纳光纤的非线性激活器的制备方法，其中，在制备所述基于微纳光纤的非线性激活器的过程中还包括步骤：
在所述微纳光纤的另一端连接功率计；
在所述微纳光纤的锥区沉积所述二维材料的过程中，监测所述功率计的读数，当每隔预定时间发现功率计的读数变化一致时，则关闭所述激光器。
所述基于微纳光纤的非线性激活器的制备方法，其中，所述二维材料分散液的浓度为0.01-0.05mg/mL。
所述基于微纳光纤的非线性激活器的制备方法，其中，将所述二维材料分散液滴加在所述微纳光纤的锥区的步骤中，滴加的二维材料分散液体积为50μL-80μL。
一种基于微纳光纤的非线性激活器，其中，所述非线性激活器由微纳光纤以及沉积在所述微纳光纤锥区上的二维材料组成。
一种基于微纳光纤的非线性激活器的应用，其中，将本发明所述的基于微纳光纤的非线性激活器用于光神经网络中。
有益效果：本发明提供了一种基于微纳光纤的非线性激活器的制备方法，通过在微纳光纤的锥区沉积液相剥离的二维材料，制得非线性激活器。本发明利用二维材料与微纳光纤倏逝场的相互作用，完成输入输出的非线性运算，并且所述微纳光纤两端为标准单模光纤，可以直接与光计算芯片相连接，可适用于不同结构的光计算芯片，且响应速度极快，是一种通用的全光非线性激活器。
附图说明
图1为本发明一种基于微纳光纤的非线性激活器的制备方法的流程图。
图2为本发明制备的基于微纳光纤的非线性激活器的结构示意图。
图3为本发明基于微纳光纤的非线性激活器用于光神经网络的结构示意图。
图4为测量得到的SA激活函数与RSA激活函数结果图。
图5为测量得到的非线性激活器的可饱和吸收(SA)特性和反饱和吸收特性(RSA)结果图。
图6为使用SA激活函数时，在测试数据集上计算得到混淆矩阵图。
图7为使用RSA激活函数时，在测试数据集上计算得到混淆矩阵图。
具体实施方式
本发明提供一种基于微纳光纤的非线性激活器及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
受制于摩尔定律，信息技术载体的存储密度与运算速度的提升均面临瓶颈，与光子学结合的芯片技术或将成为电子行业的未来，光子芯片的概念因此营运而生。相比于电子芯片，用光与当下热门的深度学习算法相结合，实现片上光学神经网络计算芯片，可以大大提高计算速度、降低功耗。但是，当前光学神经网络计算芯片技术尚处于萌芽阶段，大多架构只能实现线性矩阵运算，在光学上实现非线性运算上很不成熟，无法充分发挥光计算芯片的优势。
目前，业界已经发明了几种全光非线性激活函数实现方法，包括：1、在加工好的MZI一臂上转移Bi2Te3薄膜，利用材料的饱和吸收来实现非线性激活，然而由于该方法中MZI波导宽度为400-500nm，要想在MZI波导上实现薄膜的转移非常困难，需要大量的尝试才可能在不同MZI上转移相同的宽度和长度的薄膜，重复率很低，不利于大批量使用。2、在波导上覆盖相变材料相变材料锗锑碲合金(GST)，利用GST晶态和非晶态的对光的透过率不同实现非线性激活，然而由于GST本身的非易失性，其需要额外的能量改变状态，导致响应时间太慢，不能满足高速计算的需求。
基于此，本发明提供了一种基于微纳光纤的非线性激活器的制备方法，如图1所示，其包括步骤：
S10、对标准单模光纤进行熔融拉伸处理，得到微纳光纤，所述微纳光纤的中间部位形成有锥区；
S20、在所述微纳光纤的锥区沉积二维材料，制得所述基于微纳光纤的非线性激活器。
本实施例通过在微纳光纤的锥区沉积液相剥离的二维材料，制得非线性激活器。在本实施例中，所述微纳光纤具有机械强度高、加工简易、较强的倏逝场、较高的数值孔径、光传输损耗较低等优点，将二维材料沉积到微纳光纤的锥区表面，所述二维材料可以与微纳光纤倏逝场充分作用，完成输入输出的非线性运算。具体来讲，微纳光纤由于直径非常细，有一部分光会泄露出去，沿着微纳光纤表面传播。此时泄露的光会被附着在微纳光纤表面的二维材料所吸收，通过二维材料两种不同的吸收机制，饱和吸收和反饱和吸收，可以得到两种传输曲线，用于光计算。以具有饱和吸收效应的二维材料举例，其吸收率随光强增大而降低，最终趋于一常数。且其弛豫时间为皮秒量级，意味着每次计算之后，不需要额外再施加能量来改变二维材料的状态，在皮秒时间内它会自己快速复位，满足光计算高速的要求。在本实施例中，所述微纳光纤两端为标准单模光纤，其可以直接与光计算芯片相连接，可适用于不同结构的光计算芯片，且响应速度极快，是一种通用的全光非线性激活器。本实施例提供的基于微纳光纤的非线性激活器的制备方法操作简单，重复率高，有利于大批量使用。
在一些实施方式中，所述对标准单模光纤进行熔融拉伸处理，得到微纳光纤的步骤包括：将所述标准单模光纤置于氢氧火焰下，控制拉伸参数，对所述标准单模管线进行熔融拉伸处理，得到微纳光纤，所述微纳光纤的中间部位形成有锥区；在熔融拉伸处理过程中对所述微纳光纤进行动态损耗监测，筛选损耗一致的所述微纳光纤固定在基底上，备用。作为举例，所述拉伸参数包括氢气流量的流量计读数为100-110；火炬零点为2.8-2.9mm；初始距离为6000μm；拉伸长度为26500–27000μm。
在本实施例中，所述微纳光纤的锥区直径为1-3μm，优选为2μm；所述基底优选为氟化镁基底。
在一些实施方式中，所述石墨烯、过渡金属硫化物、过渡金属碳化物、黑磷中的一种，但不限于此。
在一些实施方式中，在所述微纳光纤的锥区沉积二维材料，制得所述基于微纳光纤的非线性激活器的步骤包括：将二维材料分散在有机溶剂中，制得二维材料分散液；将所述微纳光纤置于光学显微镜下，通过激光器在所述微纳光纤的一端通入连续光，并将所述二维材料分散液滴加在所述微纳光纤的锥区，通过光梯度力在所述微纳光纤的锥区沉积二维材料，制得所述基于微纳光纤的非线性激活器。
本实施例利用利用光泳力在微纳光纤的锥区沉积液相剥离的二维材料，制得所述基于微纳光纤的非线性激活器。所述微纳光纤表面活性很高，关闭激光后，二维材料与微纳光纤吸附在一起，除非外力很大，一般不会脱离。
在本实施例中，所述二维材料分散液的浓度为0.01-0.05mg/mL，但不限于此；滴加的二维材料分散液体积为50μL-80μL，但不限于此。
在本实施例中，所述激光器的输出功率为50-70mW，但不限于此；所述激光器输出的连续光波长为980nm，但不限于此。
在本实施例中，所述有机溶剂为乙醇，但不限于此。
在一些实施方式中，在制备所述基于微纳光纤的非线性激活器的过程中还包括步骤：在所述微纳光纤的另一端连接功率计；在所述微纳光纤的锥区沉积所述二维材料的过程中，监测所述功率计的读数，当每隔预定时间发现功率计的读数变化一致时，则关闭所述激光器。因为微纳光纤在通光时，在光泳力作用下光纤吸附二维材料，此时二维材料与光纤表面的倏逝场相互作用，二维材料会吸收一部分光，使功率计读数降低，因此可以由功率计量化来判断沉积程度，这里功率计读数变化一致是想让本操作过程有重复性。
在一些实施方式中，还提供一种基于微纳光纤的非线性激活器，其采用本发明所述基于微纳光纤的非线性激活器的制备方法制得。如图2所示，所述非线性激活器由微纳光纤1以及沉积在所述微纳光纤1锥区上的二维材料2组成。
在一些实施方式中，还提供一种基于微纳光纤的非线性激活器的应用，其中，将本发明所述的基于微纳光纤的非线性激活器用于光神经网络中。作为举例，可将所述基于微纳光纤的非线性激活器用于MZI阵列组成的光神经网络中，如图3所示，图3是由光学干涉单元(OIU)和非线性激活单元(NAU)组成的一个完成光学神经网络，其中OIU由MZI阵列组成，实现线性运算功能；NAU由本实施例制备的非线性激活器组成，实现非线性运算功能。
下面通过具体实施例对本发明一种基于微纳光纤的非线性激活器及其制备方法与应用做进一步的解释说明：
实施例1
一种基于微纳光纤的非线性激活器的制备方法：
1、将标准单模光纤在氢氧火焰下，控制拉伸参数，熔融拉伸得到的直径为2μm的微纳光纤，在拉伸过程中监测光纤动态损耗，选择损耗基本一致的固定在氟化镁(MgF2)基底上；
2、配置浓度为0.02mg/mL的二维材料的分散液，溶剂为乙醇；
3、将微纳光纤置于光学显微镜下，在左端通入980nm的连续光，激光器输出功率为60mW,右端连接功率计，通过移液枪在微纳光纤锥区滴上50μL-80μL溶液，通过光梯度力实现二维材料薄片在微纳光纤的沉积。沉积过程中监测功率计读数，发现读数在不断降低。每次当读数变化基本一致时，立刻关闭激光器，停止通光，制得所述基于微纳光纤的非线性激活器。
性能测试
为了测量非线性激活器的可饱和吸收(SA)特性(对应二维材料可以为石墨烯、黑磷、少层的过渡金属硫化物、过渡金属碳化物)，使用锁模激光器作为激光源，以获得较高的峰值功率。激光源输出的光功率首先通过一个可调衰减器，然后通过分束器分为两部分，90％光功率经过非线性激活器后，进入光功率计，其余10％光功率直接输入光功率计，作为参考功率。得到透过率T与输入光强I之间的关系：T(I)＝1-△T*exp(-I/Isat)-Tns，其中△T为调制深度，Isat为饱和强度，Tns为非饱和损耗。然后，将非线性传输曲线：f(I)＝I*T(I)＝I*(1-△T*exp(-I/Isat)-Tns)作为非线性激活器的非线性激活函数SA。
选择具有反饱和吸收(RSA)的二维材料(例如单层过渡金属硫化物)，与微纳光纤相结合制备非线性激活器。此时传输函数为RSA：f(I)＝I*T(I)＝I*(1+△T*exp(-I/Isat)-Tns)。非线性激活器两端为标准单模光纤，可以直接与光计算芯片相连接，提供非线性运算，反饱和吸收测试步骤与饱和吸收一样。
测试的结果如图4所示，图4是测试得到的非线性激活器的传输曲线，可以看出由于SA，非线性激活器的透过率会随着光强增加而增大，而基于RSA性质的正好相反。图5是基于SA与RSA传输曲线得到的两种非线性激活函数，SA激活函数与RSA激活函数。
进一步地，为了验证基于微纳光纤的非线性激活器用于光神经网络的可行性，做了模拟仿真，将SA与RSA非线性激活函数用于人工神经网络中，实现对mnist手写字体的识别。其中搭建了四层全连接神经网络，非线性激活函数分别选择测量得到的SA函数和RSA函数，50000张图片用于训练，10000张图片用于测试，最终在测试集计算得到混淆矩阵图，结果如图6和图7所示，从图6和图7可以看到对0-9十个数字的识别正确率都达到了90％以上，验证了非线性激活器的可行性。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.通过如下步骤制备得到的材料作为非线性激活器的应用，所述步骤包括：
对标准单模光纤进行熔融拉伸处理，得到微纳光纤，所述微纳光纤的中间部位形成有锥区；
在所述微纳光纤的锥区沉积二维材料，得到所述材料；
所述二维材料包括具有可饱和吸收特性的二维材料或具有反饱和吸收特性的二维材料，所述具有可饱和吸收特性的二维材料为石墨烯、少层过渡金属硫化物、过渡金属碳化物、黑磷中的一种，所述具有反饱和吸收特性的二维材料为单层过渡金属硫化物；
所述微纳光纤的锥区直径为1-3μm。
2.通过如下步骤制备得到的材料作为非线性激活器在光神经网络中的应用，所述步骤包括：
对标准单模光纤进行熔融拉伸处理，得到微纳光纤，所述微纳光纤的中间部位形成有锥区；
在所述微纳光纤的锥区沉积二维材料，得到所述材料；
所述二维材料包括具有可饱和吸收特性的二维材料或具有反饱和吸收特性的二维材料；
所述具有可饱和吸收特性的二维材料为石墨烯、少层过渡金属硫化物、过渡金属碳化物、黑磷中的一种，所述具有反饱和吸收特性的二维材料为单层过渡金属硫化物；
所述微纳光纤的锥区直径为1-3μm。
3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，所述对标准单模光纤进行熔融拉伸处理，得到微纳光纤的步骤包括：
将所述标准单模光纤置于氢氧火焰下，控制拉伸参数，对所述标准单模光纤进行熔融拉伸处理，得到微纳光纤，所述微纳光纤的中间部位形成有锥区；
在熔融拉伸处理过程中对所述微纳光纤进行动态损耗监测，筛选损耗一致的所述微纳光纤固定在基底上，备用。
4.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，在所述微纳光纤的锥区沉积二维材料，得到所述材料的步骤包括：
将二维材料分散在有机溶剂中，制得二维材料分散液；
将所述微纳光纤置于光学显微镜下，通过激光器在所述微纳光纤的一端通入连续光，并将所述二维材料分散液滴加在所述微纳光纤的锥区，通过光泳力在所述微纳光纤的锥区沉积二维材料，得到所述材料。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，在制备所述材料的过程中还包括步骤：
在所述微纳光纤的另一端连接功率计；
在所述微纳光纤的锥区沉积所述二维材料的过程中，监测所述功率计的读数，当每隔预定时间发现功率计的读数变化一致时，则关闭所述激光器。
6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述二维材料分散液的浓度为0.01-0.05mg/L。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，将所述二维材料分散液滴加在所述微纳光纤的锥区的步骤中，滴加的二维材料分散液体积为50μL-80μL。
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2021
- 2021-12-06 CN CN202111479942.9A patent/CN114280719B/zh active Active
Patent Citations (4)
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| CN104477997A (zh) * | 2014-12-19 | 2015-04-01 | 上海交通大学 | 一种在拉锥光纤侧面高效沉积硫化钨的方法 |
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