CN116840971A - 基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器：所述非线性激活器的设计基于SOI材料平台，其中最下层是二氧化硅基底，在此基础上制作硅狭缝波导，两侧填充二氧化硅；然后在硅狭缝波导上沉积氧化铝薄膜；接着将层状二维材料转移到薄膜之上，该材料对光存在饱和吸收效应，是非线性的来源；然后上层再沉积钛作为黏附层，用于提高金属狭缝波导与二维材料的接触稳固性；最后在钛层之上制作金属狭缝波导，形成双狭缝波导结构，增强光场限制，提高光与二维材料相互作用。本发明实现了高响应速度、大光学带宽、低功耗、集成度高的非线性激活器。本发明还公开了所述基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器的制作方法及其应用。
Description
技术领域
本发明属于光学计算技术领域，更具体地，涉及一种基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器及其应用。
背景技术
饱和吸收效应：饱和吸收效应通常指当激光进入介质中，介质的吸收系数随着介质内的光强增大而减小，从而导致透射率随着光强增大而增大，直到达到一个饱和值。在饱和吸收情况下，介质的吸收系数α(P)和输入到介质中的光功率P之间的关系可以表达为：其中αs表示介质的可饱和吸收系数；Psat为饱和光功率，其表示当介质的吸收系数下降为其初始吸收系数的一般时的输入光功率。
SOI：绝缘体上的单晶硅薄膜，即Silicon-On-Insulator(SOI)，其广泛用于芯片制作产业。该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层，其利用Si和SiO2之间较大的折射率差来提高波导对于光场的束缚能力，有利于减小器件尺寸，提高集成度。另外SOI完美继承了Si/SiO2在工艺和成本上的优势，使其成为了光子器件最可靠的集成平台。
受限于冯诺依曼架构以及摩尔定律的放缓，传统电子芯片在速度与能效方面存在着限制，无法满足日益增长的计算需求。因此采用频率更高的光波作为信息载体的光子芯片或将成为信息技术行业的未来热点。相比于基于电子芯片的神经网络技术，在光子芯片上实现深度学习算法，可以利用光的高速率、高并行度等特性加速算法，并结合器件优化便可以实现高计算速度、低功耗的光学神经网络计算芯片。
目前光子芯片上的光学神经网络主要由马赫-曾德尔干涉仪(MZI,Mach–Zehnderinterferometer)阵列、微环谐振器(MRR,Microring Resonator)阵列、半导体光放大器等方法来实现，但是这种结构的光学神经网络只能实现线性矩阵运算，而仅能实现线性矩阵运算的神经网络无法满足复杂的计算需求以及丰富的应用场景。因此在电神经网络中通常会引入非线性激活函数从而实现输入数据到输出数据的非线性映射，进而加快网络的收敛速度、提升识别准确率并丰富应用场景。
迄今为止开发的非线性激活器根据其工作机制可以分为两大类：光电转换类和全光类。对于光电转换类激活器，信号需要在各种器件之间进行光电转换，并且还需要额外的电能来维持其正常工作，因此这种方法在集成度、速度、功耗等方面面临着严峻挑战。
作为这些方法的替代方案，全光学方法利用了光学的固有优势，对于神经网络的进展至关重要。但是目前光学上实现非线性激活函数还不够成熟，无法充分发挥光子芯片的优势。
目前业界已经发明了数种全光非线性激活函数实现方法，包括：
1、将普通单模光纤进行熔融拉锥处理获得微纳光纤，在微纳光纤的中间部分形成有锥区，然后在该区域沉积二维材料。因为微纳光纤的直径较细，因此一部分的光会泄露出去，从而被二维材料吸收。利用二维材料的饱和吸收以及反饱和吸收效应便可以获得两种不同的非线性激活函数。但是该方案是基于光纤实现的非线性激活器，光需要从光子芯片中耦合进光纤，完成激活操作之后再耦合回光子芯片中，其难以与光子芯片进行集成，大大的降低了光子芯片的集成度。
2、在SOI上制作好500nm宽、100nm高的硅脊形波导，并在侧面制作同样高度的锗脊波导，从而形成锗硅混合非对称耦合器。光依次从硅波导中耦合到锗波导中，再耦合回去硅波导中，光在锗波导中传输时会改变其中的折射率，从而影响整个器件的透过率，从而实现非线性激活函数。但是该方案中所利用的这种折射率改变过于缓慢，导致非线性激活器响应时间太慢，不能满足光子芯片高速计算的需求。
3、在SOI上制作两个级联的MZI，然后分别这两个MZI的其中一臂上沉积两个金属加热器，并在第二个MZI一臂的侧面制作一个MRR，利用硅的自由载流子色散效应便可以实现非线性激活函数。但是该非线性激活器因为使用了金属加热器以及MRR，导致其功耗高、光学带宽窄并且器件尺寸较大，从而降低了光子芯片的集成度。
总的来说，现有的全光非线性激活器有的需要利用到MZI、MRR等器件导致激活器的光学带宽较小、集成度较低。有的需要利用到材料中一些速度较慢的非线性效应并需要额外的能量帮助器件进行工作，从而导致激活器的功耗高、响应速度慢。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器。利用二维材料对于光的优秀的饱和吸收效应，并利用双狭缝波导加强二维材料的吸收效应，从而实现高响应速度、大光学带宽、低功耗、集成度高的非线性激活器。为高性能要求应用场景中的光学神经网络提供一种性能优异的全光非线性激活器。具体各个组件尺寸需要根据所采用材料与实际情况进行优化选择。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器，所述非线性激活器的设计基于SOI材料平台，其中最下层是二氧化硅基底，在此基础上制作硅狭缝波导，两侧填充二氧化硅；然后在硅狭缝波导上沉积氧化铝薄膜；接着将层状二维材料转移到薄膜之上，该材料对光存在饱和吸收效应，是非线性的来源；然后上层再沉积钛作为黏附层，用于提高金属狭缝波导与二维材料的接触稳固性；最后在钛层之上制作金属狭缝波导，形成双狭缝波导结构，增强光场限制，提高光与二维材料相互作用。
本发明的一个实施例中，所述层状二维材料为：石墨烯、黑磷、少层的过渡金属硫化物，或者过渡金属碳化物。
本发明的一个实施例中，所述金属狭缝波导的构成金属包括金或银。
按照本发明的另一方面，还提供了一种基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器的制作方法，包括：在商用SOI基片上进行制作；先制作硅狭缝波导，之后沉积SiO2，然后对样品表面进行平面化处理；然后在其上沉积氧化铝薄膜；之后再将单层或者少层二维材料转移到薄膜上；再制作钛隔离层以及金狭缝波导。
本发明的一个实施例中，所述SOI基片顶部硅层厚度260nm，其下的二氧化硅层厚度1μm。
本发明的一个实施例中，使用电子束曝光、干法刻蚀技术制作硅狭缝波导，波导狭缝宽度为90nm。
本发明的一个实施例中，采用表面等离子增强化学气相沉积技术沉积SiO2，并利用化学机械抛光对样品表面进行平面化处理。
本发明的一个实施例中，利用原子层沉积技术在沉积的SiO2上沉积厚度为7nm的氧化铝薄膜。
本发明的一个实施例中，二维材料的图案化利用紫外光刻和氧等离子体刻蚀技术实现；使用电子束曝光、和沉积技术制作3nm厚的钛隔离层以及25nm厚、90nm宽的金狭缝波导；非线性激活器的器件长度为4.3μm，整体器件尺寸不大于80μm2。
按照本发明的另一方面，还提供了一种基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器的应用，将所述的基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器用于光子芯片上的光神经网络中。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明利用二维材料的超快的光生载流子弛豫时间以及宽波长范围内的平坦吸收，实现了响应速度快、工作光学带宽大的非线性激活器，有助于光子计算芯片开发新型高速计算应用场景，提高光子计算芯片灵活性；
(2)本发明利用双狭缝波导的特殊设计，既可以加强光场限制，提高二维材料的吸收效应，又没有引入过多的损耗，并且还降低了器件尺寸，实现了低功耗、高集成度的非线性激活器，有助于降低光子计算芯片的整体功耗；
(3)本发明基于SOI材料平台进行设计，所设计的非线性激活器与硅基光子芯片工艺兼容，可以直接与光子芯片集成，是一种通用的全光非线性激活器，有助于降低光子计算系统复杂度，提升整体集成密度。
附图说明
图1是本发明所述的基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器的三维结构图；
图2是本发明所述的基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器的截面图；
图3是本发明实施例中测试得到的非线性激活器的在1547nm-1565nm波长范围内的可饱和吸收特性结果图；
图4是本发明实施例中测试得到的非线性激活器在1550nm处的非线性激活函数；
图5是本发明实施例中测试得到的非线性激活器探测光透射率随着探测光与泵浦光之间延时差变化的脉冲曲线；
图6是本发明基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器用于光神经网络的结构示意图；
图7是本发明实施例中使用图4所示激活函数时，在训练过程中准确率随训练轮次变化曲线；
图8是本发明实施例中使用图4所示激活函数时，在测试数据集上计算得到的混淆矩阵图。
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未构成冲突就可以相互组合。
图1展示了基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器的三维结构，图2为激活器的截面图，详细展示了整个器件的结构。整个器件设计基于SOI材料平台，其中最下层是二氧化硅基底，在此基础上制作硅狭缝波导，两侧填充二氧化硅。然后在硅狭缝波导上沉积氧化铝薄膜。接着将层状二维材料转移到薄膜之上，该材料对光存在饱和吸收效应，是非线性的来源。然后上层再沉积钛作为黏附层，用于提高与二维材料的接触稳固性，最后在钛层之上制作金属狭缝波导，形成双狭缝波导结构，增强光场限制，提高光与二维材料相互作用。
一般地，所述二维材料可以采用石墨烯、黑磷、少层的过渡金属硫化物、过渡金属碳化物；所述金属狭缝波导中所采用的金属可以为金或者银。
本发明的第一个关键点是使用二维材料作为非线性的来源，其原理是二维材料的饱和吸收效应。
饱和吸收效应通常指当激光进入介质中，介质的吸收系数随着介质内的光强增大而减小，从而导致透射率随着光强增大而增大，直到达到一个饱和值。得益于二维材料短的光生载流子弛豫时间以及窄的能带带隙，二维材料的饱和吸收效应通常表现出快的响应速度以及宽波长的平坦吸收。因此基于二维材料设计的非线性激活器具有高响应速度以及大光学带宽的优点。
本发明的第二个关键点是使用双狭缝波导增强光和二维材料的光与物质相互作用。通常研究人员会使用金属狭缝波导来对光进行强烈的限制，从而大幅增加二维材料与光之间的相互作用，但是金属对于光的吸收损耗同样十分巨大，从而导致二维材料的吸收比例不高，进而大大增加器件的功耗。而硅狭缝波导则刚好相反，其对于光的吸收比较小，同样的其对光的限制作用也相对较弱。因此本发明创新性的将金属狭缝波导和硅狭缝波导相结合，在保证较强的光场限制的同时也降低金属狭缝波导对于光的吸收从而达到降低功耗和缩小器件尺寸的目的。此外，因为本发明提出非线性激活器在SOI材料平台上制作，可以很方便地直接与光子芯片一起集成，集成度高。
器件制作：本实施例在商用SOI基片上进行制作，该SOI基片顶部硅层厚度260nm，其下二氧化硅层厚度1μm。首先使用电子束曝光、干法刻蚀技术制作硅狭缝波导，波导狭缝宽度为90nm，之后采用表面等离子增强化学气相沉积技术沉积SiO2，然后利用化学机械抛光对样品表面进行平面化处理。然后利用原子层沉积技术在其上沉积厚度为7nm的氧化铝薄膜。之后再将单层二维材料(对应二维材料可以是石墨烯、黑磷、少层的过渡金属硫化物、过渡金属碳化物)转移到薄膜上，石墨烯的图案化利用紫外光刻和氧等离子体刻蚀技术实现。最后使用电子束曝光、和沉积技术制作3nm厚的钛隔离层以及25nm厚、90nm宽的金狭缝波导。本实施例中器件长度为4.3μm，整体器件尺寸不大于80μm2，尺寸很小，有利于提高光子计算芯片集成度。
性能测试：为了测量非线性激活器的可饱和吸收特性，使用可调谐窄线宽激光器作为激光源，分别选取波长为1547nm、1550nm、1555nm、1560nm和1565nm的激光作为输入光。激光器输出的光功率首先通过一个可调衰减器，用于快速调节光功率，然后通过一个光学分束器将光功率分为两个部分，95％的光功率通过本发明提出的非线性激活器之后进入到光功率计中，剩余5％的光功率直接进入到光功率计中，作为参考功率。因此便可以得到相对透射率ΔT随着输入光功率P之间的关系:其中αs中为饱和吸收系数，Psat为饱和光功率。图3展示测试本发明提出的非线性激活器的相对透射率曲线，可以看到激活器的透射率会随着光强的增加而增大，并在1547-1565nm范围内基本保持一致，证明了该激活器至少达到18nm的大光学带宽，且该激活器饱和功率仅为5.41mw。图4展示了该激活器在入射光波长为1550nm时基于相对透射率曲线获得的非线性激活函数。
为了验证非线性激活器的响应速度，本实施例中使用了泵浦-探测方法对器件的响应时间进行了测试。该方法使用了两束具有时间延迟差的皮秒脉冲，其中能量较高的一束光作为泵浦光，用于激发激活器的非线性效应，另外能量较低的一束光作为探测光，对激活器的透射率进行探测。在测试过程中通过调节两束光到达激活器的时间延迟差，便可以得到不同时刻的激活器透射率，对这个延迟差进行扫描，便可以获得激活器透射率随时间延迟差变化的曲线，如图5所示，可以看到，激活器的透射率随着延时差的增大而降低，当延迟差为0时，其透射率最高，从而形成了一个脉冲形的透射率变化曲线，该脉冲半高全宽约为96.3ps，说明该激活器的响应时间约为96.3ps，对应的响应带宽大于10GHz。结合上述的饱和功率，可以证明该激活器每次非线性操作功耗约为0.51pJ，展现了该激活器超低功耗的特性。
进一步的，本发明提供的基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器可以用于光子芯片上的光神经网络中。为了验证基于二维材料和双狭缝波导的非线性激活器用于光学神经网络的可行性，我们将上述得到的非线性激活函数用于全连接神经网络中来实现MNIST手写数字的识别。因为手写数字识别任务是评估神经网络性能的典型任务之一。我们建立了一个三层的全连接神经网络，分别包含782、100和10个神经元，其中采用的非线性激活函数为上述测量的非线性激活函数。图6展示了将本发明所述的基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器用于光神经网络中的示意图，此网络中光学线性操作部分选择了常用的MZI阵列，而光学非线性操作部分则由本实施例制备的非线性激活器组成，实现非线性运算的功能。在训练阶段，我们使用了60000张数字图片，并在测试阶段使用了10000张数字图片。图7展示了网络训练过程中准确率随着训练轮次快速升高并收敛，最终训练集的识别准确率达到了97.18％。图8展示了最终通过训练集获得的混淆矩阵图，可以看到对于0-9总共十个数字的平均识别准确率达到了96.01％，各个数字分别的识别准确率都达到了94％，验证了本发明所提出的非线性激活器的可行性。
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 (10)
1.一种基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器，其特征在于，所述非线性激活器的设计基于SOI材料平台，其中最下层是二氧化硅基底，在此基础上制作硅狭缝波导，两侧填充二氧化硅；然后在硅狭缝波导上沉积氧化铝薄膜；接着将层状二维材料转移到薄膜之上，该材料对光存在饱和吸收效应，是非线性的来源；然后上层再沉积钛作为黏附层，用于提高金属狭缝波导与二维材料的接触稳固性；最后在钛层之上制作金属狭缝波导，形成双狭缝波导结构，增强光场限制，提高光与二维材料相互作用。
2.如权利要求1所述的基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器，其特征在于，所述层状二维材料为：石墨烯、黑磷、少层的过渡金属硫化物，或者过渡金属碳化物。
3.如权利要求1所述的基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器，其特征在于，所述金属狭缝波导的构成金属包括金或银。
4.如权利要求1至3任一项所述的基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器的制作方法，其特征在于，包括：
在商用SOI基片上进行制作；先制作硅狭缝波导，之后沉积SiO2，然后对样品表面进行平面化处理；然后在其上沉积氧化铝薄膜；之后再将单层或者少层二维材料转移到薄膜上；再制作钛隔离层以及金狭缝波导。
5.如权利要求4所述的基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器的制作方法，其特征在于，所述SOI基片顶部硅层厚度260nm，其下的二氧化硅层厚度1μm。
6.如权利要求4所述的基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器的制作方法，其特征在于，使用电子束曝光、干法刻蚀技术制作硅狭缝波导，波导狭缝宽度为90nm。
7.如权利要求4所述的基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器的制作方法，其特征在于，采用表面等离子增强化学气相沉积技术沉积SiO2，并利用化学机械抛光对样品表面进行平面化处理。
8.如权利要求4所述的基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器的制作方法，其特征在于，利用原子层沉积技术在沉积的SiO2上沉积厚度为7nm的氧化铝薄膜。
9.如权利要求4所述的基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器的制作方法，其特征在于，二维材料的图案化利用紫外光刻和氧等离子体刻蚀技术实现；使用电子束曝光、和沉积技术制作3nm厚的钛隔离层以及25nm厚、90nm宽的金狭缝波导；非线性激活器的器件长度为4.3μm，整体器件尺寸不大于80μm2。
10.一种基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器的应用，其特征在于，将权利要求1至3任一项所述的基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器用于光子芯片上的光神经网络中。
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