CN116205280A - 一种超低插损非易失光子神经突触器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超低插损非易失光子神经突触器件，属于光计算领域。包括衬底、布拉格光栅、加热区，布拉格光栅由相变材料和波导共同组成，相变材料周期排布于波导内部，加热区位于布拉格光栅外侧，其面积覆盖相变材料与波导，波导中的基模在经过布拉格光栅时发生周期性反射，其中满足相位匹配条件的基模可以实现低损耗传输，调节布拉格光栅中相变材料的结晶程度实现对波导透射率的调制，进一步通过布拉格光栅中相变材料的周期、占空比以及调制区域的长度以实现在不同相态(晶态，非晶态)下器件拥有最大的归一化强度输出范围。

Description

一种超低插损非易失光子神经突触器件
技术领域
本发明属于光计算领域，更具体地，涉及一种超低插损非易失光子神经突触器件。
背景技术
近年来，以神经网络为代表的人工智能技术向着高速低功耗的方向快速发展。然而，电子集成芯片(IC)所采用的冯诺依曼架构会将程序空间与数据空间分离，从而导致计算单元与存储单元之间产生大量潮汐性数据荷载，频繁性数据读写操作是的计算速率下降的同时增加了单次计算能耗。因此，基于电子IC芯片的神经网络难以进一步提高功率效率与计算速度，制约了人工智能技术的发展与应用。非易失神经网络使得计算单元同时具有数据存储能力，这种存内计算架构的提出极大地提高了神经网络的计算速度并且降低了数据访问能耗。同时，利用光子计算高速与低能耗优势的非易失光子神经网络更是成为了人工神经网络芯片的重要研究内容。非易失神经突触是非易失光子神经网络的核心器件。其工作原理是基于相变材料(PCMs)的非易失光学状态来控制神经突触的输出光学强度以及储存光学信息。已有的非易失神经突触所采用的PCMs包括二氧化钒，液晶，和GST，GSST等硫系相变材料。通过在高折射率波导上侧覆盖几十纳米的GST薄膜，feldmann等人成功设计了第一个光学非易失神经网络，然而由于相变材料与高折射率波导模式之间的弱相互作用，非易失神经突触的输出强度范围很小。此外，由于所采用的相变材料在信号源的波长下具有较大的固有光学损耗，使得非易失神经突触具有较大的插入损耗，这二个弊端导致了所设计的人工神经元的权重池有限，无法实现0/1调制。
之后，大量的学者通过优化波导结构对非易失神经突触的插入损耗以及输出强度范围进行优化，企图设计出更接近于理想状态的非易失神经突触。2021年，国内研究者通过分析波导模式提出槽脊型波导相较于普通的硅基脊型波导具有更大的调制范围。权志强等人在此基础上进一步分析了波导模式与相变材料之间的相互作用，利用不同相态下高折射率波导基模的模式损耗以及与光栅耦合效率，提出了基于亚波长槽脊型光栅波导(SWGSR)结构的非易失神经突触，其插损为1.1dB，输出强度范围为10dB。同时利用谐振耦合原理可以进一步提高非易失神经突触在晶态情况下的消光能力，包括传统微环谐振器、跑道型微环谐振器。GSST材料的诞生是低插损非易失神经突触的关键一步，其固有光学损耗相较于GST、二氧化钒等相变材料小很多。研究者利用微环结构与GSST材料的相互作用，使得不同相态的GSST控制微环的谐振耦合状态，进而控制微环的输出光学响应，实现了插损0.5dB，输出强度范围42dB的非易失神经突触。但是其对工作波长有着极其严格的要求，该性能参数的3dB带宽仅有0.2nm。并且受限于谐振结构的尺寸，该结构并不利于大规模集成的应用。直接在高折射率波导侧壁沉积GSST薄膜虽然可以减小非易失神经突触的尺寸，但是受限于GSST材料固有光学对比度更小，无法对高折射率波导模式进行有效的调制，进而无法实现更大的光学调制范围。权志强等人结合GSST相变材料的特性，提出了基于相变材料的混合波导结构。所设计的硅基混合波导在TM模式激发情况下具有0.4dB的插入损耗，17dB输出强度范围，120nm带宽以及极小的器件尺寸。此外，利用差分的思想，可以设计基于微环的差分非易失神经突触，具有更大输出强度范围。同样的，2021年，国外研究者利用模式转换的思想，在高折射率波导上侧制造基于相变材料的超表面，设计了基于模式差分输出的非易失神经突触。但是，这种非易失神经突触依然无法进一步降低插入损耗。
Sb2Se3相较于GSST则具有更小的插入损耗以及光学对比度。利用Sb2Se3材料构建非易失神经突触需要进一步增强光信号与材料之间的相互作用。已有研究利用多模干涉(MMI)原理实现了非易失的二端口光交换器件，但是调制区域过大并且需要利用飞秒激光对相变像素阵列进行高精度控制，无法应用于实际场景。最新研究表明，通过采用混合纳米波导可以在短距离内实现偏振、强度控制的非易失神经突触。然而，这种非易失神经突触的输出可调范围太小。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种超低插损非易失光子神经突触器件，旨在解决光子神经突触插入损耗太大，无法适用于深度神经网络的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种超低插损非易失光子神经突触器件，包括衬底、布拉格光栅、加热区，所述布拉格光栅设置于衬底的上方，所述布拉格光栅由相变材料和波导共同组成，相变材料内嵌于波导，并周期排布，所述加热区位于布拉格光栅外侧，面积覆盖其中的相变材料与波导。输入光经过波导后进入光子神经突触器件内传输，波导不同的截面几何参数将影响波导内基模光场分布。基模光场在经过布拉格光栅时发生周期性反射，其中满足相位匹配条件的基模可以实现低损耗传输，调节布拉格光栅中相变材料的结晶程度实现对波导透射率的调制。
进一步地，通过优化布拉格光栅中相变材料的周期、占空比以及调制区域的长度以实现在不同相态(晶态，非晶态)下器件拥有最大的归一化强度输出范围，使得一种超低插损非易失光子神经突触器件在相变材料不同相态时实现最大的光学输出强度调控范围。波导以及布拉格光栅的截面几何参数的实际优化情况相关。
作为优选地，一种超低插损非易失光子神经突触器件的结构为条型结构，初始截面几何参数为：条型波导高度为220nm，宽度为500nm。通过改变这些参数，使得当相变材料为不同相态时光子神经突触内模式的有效模式折射率虚部差值更大，则相变材料对光子神经突触输出强度的调控范围就越大，当相变材料折射率等于波导材料折射率时，光场能量可以在波导内实现超低插损传输；当相变材料为晶态时，大多数的光场能量需要在传输过程中被损耗，以此实现调控光子神经突触输出强度的目的。
进一步地，在工作波长范围内，相变材料在非晶态情况下具有低光学损耗特性，例如GSST、Sb2Se3。
进一步地，相变材料为不同结晶程度时，其折射率实部的动态变化范围内包括波导折射率。
进一步地，布拉格光栅的周期以及占空比满足相变材料为晶态时，布拉格光栅满足反射增强相位匹配条件，器件光学透过率最小。
进一步地，布拉格光栅的周期可以是变周期或定周期光栅。
进一步地，波导的结构包括条型结构、脊型波导、狭缝型波导。
进一步地，加热区可以采用ITO电加热方式或者在波导区域进行离子注入，金属电极则采用导热性较好的金电极。作为优选，本发明采用ITO电加热方式。
进一步地，所述的一种超低插损非易失光子神经突触器件可以在silicon-on-insulator(SOI)平台或者氮化硅(SiN)、磷化铟(InP)、铌酸锂(LN)半导体平台上加工。作为优选，本发明选用SOI平台。
进一步地，在1550nm波长下，波导的宽度以及高度满足在波导内可以形成低损耗基模。
本发明提出一种超低插损的非易失神经突触，利用Sb2Se3设计硅基布拉格光栅，通过调节光栅结构与相变材料不同相态(晶态、非晶态)的耦合效果，实现插入损耗仅为0.01dB，输出可调范围30.02dB的优异性能。并且不同于谐振耦合结构的大尺寸，本发明所提出的一种超低插损非易失神经突触尺寸仅为0.5×12μm2。因此，本发明对高性能、大规模的非易失神经网络设计具有重要的意义。
附图说明
图1是一种超低插损非易失光子神经突触器件的传输截面示意图。
图2是一种超低插损非易失光子神经突触器件得到的仿真结果图，(a)、(b)分别代表相变材料为非晶态和晶态时，光子神经突触的归一化输出强度与布拉格光栅周期以及占空比之间的函数关系，(c)代表不同相态之间的归一化输出强度差值与布拉格光栅周期以及占空比之间的函数关系。
图3是调制长度(布拉格光栅周期数)与归一化光学输出强度之间的关系曲线图。
图4是一种超低插损非易失光子神经突触器件得到的仿真结果图，(a)、(b)分别代表相变材料为非晶态和晶态时的归一化传输电场分布情况。
图5是一种超低插损非易失光子神经突触器件的多级可调能力的仿真结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种超低插损非易失光子神经突触器件，包括衬底、布拉格光栅、加热区，所述波导设置于衬底的上方，所述布拉格光栅由相变材料和波导共同组成，相变材料内嵌于波导，所述加热区位于布拉格光栅外侧，面积覆盖其中的相变材料与波导。
下面以波导为硅波导，其宽度为500nm、高度为220nm，布拉格光栅中相变材料的周期为600nm、占空比为0.5、周期数为5，作为一种超低插损非易失光子神经突触器件的初始几何参数。
具体地，相变材料的选择为Sb2Se3。
具体地，加热区所采用的ITO电极覆盖布拉格光栅，金属加热电极位于传输方向两侧的ITO电极之上。
具体地，ITO电极以及金属电极的厚度为50nm。
实施例
本发明公开了一种超低插损非易失光子神经突触器件，包括衬底、布拉格光栅、加热区，所述布拉格光栅设置于衬底的上方，所述布拉格光栅由相变材料和波导共同组成，相变材料内嵌于高折射率波导，所述加热区位于布拉格光栅外侧，面积覆盖其中的相变材料与高折射率波导，器件结构传输方向剖面图如图1所示。高折射率波导中的基模在经过布拉格光栅时发生周期性反射，其中满足相位匹配条件的基模可以实现低损耗传输，调节布拉格光栅中相变材料的结晶程度实现对高折射率波导透射率的调制，进一步通过布拉格光栅中相变材料的周期、占空比以及调制区域的长度以实现在不同相态(晶态，非晶态)下器件拥有最大的归一化强度输出范围。
对于在高折射率波导外侧铺设相变材料的传统调制方式而言，相变材料改变相态所引起的能量衰减变化并不明显，这是由于光场与相变材料之间的作用依赖于光场的泄露能量占比，如果增加光场泄露占比势必增加能量的插入损耗，因此超低插损的非易失光子神经突触器件一直未有报道。本发明所提出的一种超低插损非易失光子神经突触器件则可以显著降低器件的插入损耗，并且在相变材料为不同相态时依旧拥有较大的动态输出范围。高折射率波导截面的几何形状，如平板层高度、脊型区域高度和脊波导宽度，会影响基模有效模式折射率的实部和虚部，进而影响高折射率波导基模在布拉格光栅中的周期性反射。同样的，可以通过扫描布拉格光栅中的周期以及占空比来确定具有最低插入损耗以及最大输出调制范围的非易失光子神经突触器件。对于本发明所提出的超低插损非易失光子神经突触，通过监测归一化输出强度来分析和量化结构优化效果。利用三维时域有限差分法(FDTD)模拟得到了归一化输出强度差(ΔT)的变化，以量化非易失光子神经突触器件的多级可调能力。
具体地，改变布拉格光栅中相变材料的周期以及占空比来观察相变材料处于不同相态时光学输出强度差值的变化。归一化输出强度与布拉格光栅的周期以及占空比的函数关系如图2所示。可以发现，当Sb2Se3处于非晶态和晶态时，非易失光子神经突触的归一化输出强度随着布拉格光栅的周期和占空比的变化而周期性出现极大值。并且在布拉格光栅周期为600nm、占空比为0.2时，不同相态(非晶态、晶态)之间的归一化输出强度差达到最大值，为61.7％。此时，光栅周期数仅为5，因此可以通过增加调制长度进一步提高不同相态之间的归一化输出强度差值。
具体地，通过改变布拉格光栅的长度来观察调制距离对本发明所提出的非易失光子神经突触器件的归一化输出强度的影响。事实上，布拉格光栅对高折射率波导基模的透射率调制满足指数衰减关系。当调制距离增加时，高折射率波导在在相变材料为非晶态和晶态情况下所对应的输出强度均会降低，这是由于当相变材料的折射率与高折射率波导折射率不相等时，光场每经过一次高折射率波导与相变材料交界面，均会发生一次反射，进而引入额外的传输损耗。在最佳的布拉格光栅周期和占空比几何参数情况下，改变布拉格光栅的周期数与高折射率波导输出强度之间的关系如图3所示。当布拉格光栅的周期数为20时，高折射率波导在不同相态下的输出强度差达到最大值，大约为99.1％。这是由于Sb2Se3为非晶态时，相变材料与高折射率波导的折射率相似，因此光场沿传播方向的衰减并不明显；当Sb2Se3为晶态时，相变材料与波导的折射率相差较大，并且由于材料的固有光学损耗，导致光场沿传播方向迅速衰减，具体情况如图4所示。
具体地，在超低插损非易失光子神经突触的多级可调测试中，通过改变相变材料的结晶程度可以改变相变材料的光学折射率，其中结晶程度与光学折射率之间的关系满足：
Figure BDA0004026526100000081
其中p代表结晶程度，ea和ec分别代表相变材料为非晶态和晶态时的介电常数，作为优选，本发明中所使用的相变材料为Sb2Se3，其非晶态和晶态在1550nm波长条件下的折射率分别为3.3684+0.0001i和4.2816+0.0003i。仿真结果表明多级可调光开关可以将光输出强度控制在256个不同的级别，大约对应于8位编程分辨率，如图5所示。其归一化最大输出强度为99.7％，所对应的插损为0.01dB，远小于已有光子非易失神经网络突触的插入损耗。并且在12μm的调制长度下最小输出透射率为9.93×10-4，实现了输出强度范围30.02dB的优异性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超低插损非易失光子神经突触器件，其特征在于，包括衬底、布拉格光栅、加热区，所述布拉格光栅设置于衬底的上方，所述布拉格光栅由相变材料和波导共同组成，相变材料周期排布于波导内部，所述加热区位于布拉格光栅外侧，面积覆盖其中的相变材料与波导；波导中的基模在经过布拉格光栅时发生周期性反射，其中满足相位匹配条件的基模实现低损耗传输。
2.根据权利要求1所述的一种超低插损非易失光子神经突触器件，其特征在于，相变材料为GSST、Sb2Se3。
3.根据权利要求1所述的一种超低插损非易失光子神经突触器件，其特征在于，所述相变材料为不同结晶程度时，其折射率实部的动态变化范围内包括波导的折射率。
4.根据权利要求1所述的一种超低插损非易失光子神经突触器件，其特征在于，所述布拉格光栅的周期以及占空比满足相变材料为晶态时，布拉格光栅满足反射增强相位匹配条件，器件光学透过率最小。
5.根据权利要求1以及权利要求4所述的一种超低插损非易失光子神经突触器件，其特征在于，布拉格光栅为变周期或定周期光栅。
6.根据权利要求1所述的一种超低插损非易失光子神经突触器件，其特征在于，所述波导的结构包括条型结构、脊型波导、狭缝型波导。
7.根据权利要求1所述的一种超低插损非易失光子神经突触器件，其特征在于，加热区的加热方式包括ITO电加热、离子注入电加热。
8.根据权利要求1所述的一种超低插损非易失光子神经突触器件，其特征在于，所述超低插损非易失光子神经突触器件在SOI平台上或者氮化硅SiN、磷化铟InP、铌酸锂LN半导体平台上加工。
9.根据权利要求1所述的一种超低插损非易失光子神经突触器件，其特征在于，在1550nm波长下，波导的宽度以及高度满足在波导内可以形成低损耗基模。
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