DE102021110182A1 - Optische neuromimetische vorrichtungen - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft Halbleiterstrukturen und insbesondere optische neuromimetische Vorrichtungen und Herstellungsverfahren. Die Struktur umfasst: eine Vielzahl von Photodetektoren und eine elektrische Schaltung, die von den Photodetektoren erzeugten Photostrom in elektrischen Strom umwandelt und dann den elektrischen Strom zu einer mimischen neuronalen Funktionalität aufsummiert.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft Halbleiterstrukturen und insbesondere optische neuromimetische Vorrichtungen und Herstellungsverfahren.
  • HINTERGRUND
  • Neuromimetische Intelligenz, auch als neuromorphes Computing bezeichnet, ist eine Art künstlicher Intelligenz, bei der Computersysteme neuronalen Prozessen zugrundeliegende Konzepte zum Bau intelligenter Systeme anwenden. Derzeitige Systeme künstlicher Intelligenz sind langsam, weil sie stark auf elektronische Schaltkreise angewiesen sind, die eine Betriebsfrequenz im GHz-Bereich aufweisen.
  • Konventionelle Photonikvorrichtungen werden für Photonikfunktionen verwendet und man hat in jüngster Zeit damit begonnen, sie in optischen neuromimetischen Vorrichtungen zu implementieren. Photoniksysteme können viel schneller arbeiten als eine elektronische Schaltung, z.B. kann die Photonik in Richtung eines THz-Betriebs gehen. Jedoch sind Photoniksysteme nicht ‚intelligent‘ und sind größtenteils Einheiten zum Empfangen und Senden von Daten. Auch haben Arbeiten an einem Computing für künstliche Intelligenz (artificial intelligence; AI) unter Verwenden konventioneller Photonikvorrichtungen einen niedrigen dynamischen Bereich, z.B. ist es nicht möglich, den dynamischen Bereich zu vergrößern und nach Bedarf zu ‚tunen‘. Demgemäß weisen diese Systeme eine begrenzte Steuerung auf. Auch die Funktionalität einer Rectified-Linear-Unit (ReLU), einer Funktion, die kritisch für die Implementierung von neuronalen Netzen (neural networks), ist in Photonikvorrichtungen schwer zu erreichen.
  • KURZABRISS
  • In einem Aspekt der Offenbarung gibt es eine Vielzahl von Photodetektoren und eine elektrische Schaltung, die von den Photodetektoren erzeugten Photostrom in elektrischen Strom umwandelt und dann den elektrischen Strom zu einer mimischen neuronalen Funktionalität aufsummiert.
  • In einem Aspekt der Offenbarung umfasst eine Struktur: eine Wellenleiterstruktur; eine Vielzahl von Photodetektoren, die mit der Wellenleiterstruktur gekoppelt sind, von denen jeder in der Lage ist, aus als Input von der Wellenleiterstruktur empfangenem Licht einen Photostrom zu erzeugen; und eine elektrische Schaltung, die mit jedem jeweiligen Photodetektor der Vielzahl von Photodetektoren gekoppelt ist, wobei die elektrische Schaltung den Photostrom in elektrischen Strom umwandelt und dann den elektrischen Strom aufsummiert, um eine Sigmoid- oder Rectified-Linear-Unit (ReLU)-Neuronaltransferfunktion bereitzustellen.
  • In einem Aspekt der Offenbarung umfasst ein Verfahren: Erzeugen eines Photostroms durch eine Vielzahl von Photodetektoren; Umwandeln jedes Photostroms der Vielzahl von Photodetektoren in einen elektrischen Strom; und Aufsummieren jedes aus jedem Photostrom umgewandelten elektrischen Stroms und Ausgeben der Summe jedes elektrischen Stroms als eine Sigmoid- oder Rectified-Linear-Unit (ReLU)-Neuronalnetzfunktion.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Offenbarung wird in der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die genannte Vielzahl von Zeichnungen anhand nicht beschränkender Beispiele exemplarischer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
    • 1 zeigt eine optische neuromimetische Vorrichtung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 2 zeigt einen elektrischen Schaltkreis, der mit der Photonikvorrichtung (optischen Vorrichtung) verwendet wird, gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 3 zeigt eine lineare optische neuromimetische Vorrichtung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 4 zeigt eine lineare optische neuromimetische Vorrichtung mit Photonikvorrichtungen verschiedener Abmessungen gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 5 zeigt eine lineare optische neuromimetische Vorrichtung mit Photonikvorrichtungen verschiedener Abmessungen gemäß zusätzlichen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 6 zeigt eine optische neuromimetische Vorrichtung mit einer alternativen elektrischen Schaltung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 7 zeigt eine optische neuromimetische Vorrichtung mit einer alternativen elektrischen Schaltung gemäß zusätzlichen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 8 zeigt eine optische neuromimetische Vorrichtung mit abstimmbaren Stromspiegeln gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 9 zeigt eine optische neuromimetische Vorrichtung mit Richtkopplern gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 10 zeigt eine optische neuromimetische Vorrichtung mit Ringresonatoren gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
    • 11A-11D zeigen eine alternative Schaltung, die mit den optischen neuromimetischen Vorrichtungen implementiert werden kann, gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft Halbleiterstrukturen und insbesondere optische neuromimetische Vorrichtungen und Herstellungsverfahren. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung optische neuromimetische Vorrichtungen für Auf-Photonik-Anwendungen künstlicher Intelligenz und Herstellungsverfahren. Vorteilhafterweise stellt die vorliegende Offenbarung eine verbesserte Performance, Genauigkeit und Bandbreite bereit, mit der Fähigkeit, einen gesteuerten, hochdynamischen Bereich und eine einfache Abstimmbarkeit aufzuweisen. Außerdem können die optischen neuromimetischen Vorrichtungen einfach mit anderen Elektronik- und Photonik-Neuronalnetzen ko-integriert werden.
  • Insbesondere präsentiert diese Offenbarung hybride photonische-elektronische Neuronen, die das Verhalten von ReLU- und Sigmoid-Neuronen (z.B. neuronale Funktionalität) mit einem hochabstimmbaren dynamischen Bereich nachahmen können. Beispielsweise stellen die hybriden photonisch-elektronischen Neuronen einen dynamischen Bereich bereit, der durch eine Anzahl von Photodetektoren leicht gesteuert werden kann. Dies umgeht eine große Herausforderung, mit der bekannte Vorrichtungen konfroniert sind, von denen man weiß, dass sie sich sättigen und einen begrenzten dynamischen Bereich eine ReLU-Funktionalität aufweisen. Bei Ausführungsformen bilden die Photonikstrukturen ein ReLU- oder Sigmoid-Neuronalnetz mit integrierten Wellenleitern, Mikro-Ring-Modulatoren und/oder Detektoren. Die Photonikstrukturen können auch innerhalb einer monolithischen Integration von Elektronik- und anderen Photonik-Komponenten bereitgestellt sein.
  • Die optischen neuromimetischen Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung können auf mehrere Arten unter Verwenden mehrerer verschiedener Werkzeuge gefertigt werden. Im Allgemeinen werden jedoch die Methodologien und Werkzeuge zum Bilden von Strukturen mit Dimensionen im Mikrometer- und Nanometermaßstab verwendet. Die Methodologien, d.h. Technologien, die eingesetzt werden, um die optischen neuromimetischen Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung zu fertigen, wurden aus der Technologie integrierter Schaltkreise (integrated circuit; IC) übernommen. Beispielsweise werden die Strukturen auf Wafer gefertigt und in Materialfilmen realisiert, die durch fotolithografische Prozesse auf die Oberseite eines Wafers strukturiert werden. Insbesondere verwendet die Fertigung der Vorrichtungen drei grundlegende Bausteine: (i) Abscheidung von dünnen Materialfilmen auf einem Substrat, (ii) Aufbringen einer strukturierten Maske auf die Oberseite der Filme durch fotolithografische Bildgebung, und (iii) Ätzen des Films selektiv bezüglich der Maske.
  • 1 zeigt eine optische neuromimetische Vorrichtung gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere umfasst die in 1 gezeigte optische neuromimetische Vorrichtung 10a eine Vielzahl von Wellenleiterstrukturen 16a, 16b und 16c variierender Längen, die zwischen einem Multi-Mode-Interferenz (MMI)-Koppler 12 und jeweiligen Photodetektoren 18a, 18b, 18c, z.B. an einem Ende, an dem Licht austritt, gekoppelt sind. Bei Ausführungsformen können die Photodetektoren 18a, 18b, 18c mit den Wellenleiterstrukturen 16a, 16b und 16c auf irgendeine konventionelle Weise, wie sie in der Technik bekannt ist, gekoppelt sein, so dass hierin keine weitere Erklärung für ein vollständiges Verstehen der Offenbarung erforderlich ist. Die Photodetektoren 18a, 18b, 18c erzeugen einen Photostrom, der dann in die elektrischen Schaltkreise 20 eingegeben wird. Und dann wird, wie in 1 gezeigt, jeder der Ausgänge der elektrischen Schaltkreise 20 summiert, um eine ReLU-Funktion bereitzustellen, wie bei Bezugszeichen 14 gezeigt, z.B. steigt der Ausgangsstrom mit zunehmender Lichtintensität linear an.
  • Die Wellenleiterstrukturen 16a, 16b und 16c weisen die folgenden Längen auf: 16a<16b<16c. Obwohl drei Wellenleiterstrukturen 16a, 16b und 16c verschiedener Längen gezeigt sind, zieht die vorliegende Offenbarung außerdem jegliche Anzahl N+1 von Wellenleiterstrukturen verschiedener Längen in Betracht, von denen jede Licht von einer außenseitigen Quelle zu ihrem jeweiligen Photodetektor richtet. Und durch Anpassen der Anzahl von Wellenleiterstrukturen verschiedener Längen ist es nun möglich, den dynamischen Bereich der optischen neuromimetischen Vorrichtung 10a einfach abzustimmen oder zu steuern, wie hierin beschrieben. Dies umgeht eine große Herausforderung, mit der bekannte optische neuromimetische Vorrichtungen konfrontiert sind, wo die Vorrichtungen sich sättigen und einen begrenzten dynamischen Bereich für eine ReLU Funktionalität aufweisen.
  • Noch unter Bezugnahme auf 1 und anhand eines spezifischeren Beispiels, empfängt der erste Photodetektor 18a, der mit der kürzesten Wellenleiterstruktur 16a gekoppelt ist, Licht und erzeugt einen Photostrom. Dieser Photostrom wird dann in den elektrischen Schaltkreis 20 eingegeben, der einen elektrischen Strom erzeugt und ausgibt. Wenn der erste Photodetektor 18a und der zugehörige elektrische Schaltkreis 20 sich sättigt (nach Erreichen seines Lichtabsorptions/-umwandlungslimits), empfängt der zweite Photodetektor 18b, der mit der Wellenleiterstruktur 16b gekoppelt ist, jegliches verbleibende Licht und erzeugt einen Photostrom, der dann in seinen jeweiligen elektrischen Schaltkreis 20 eingegeben wird. Der elektrische Schaltkreis 20 erzeugt einen elektrischen Strom und gibt ihn aus. Dieser Prozess geht weiter, bis das ganze Licht absorbiert und durch jeweilige elektrische Schaltkreise in einen elektrischen Strom umgewandelt worden ist. Alternativ kann jegliches Licht, das an der Wellenleiterstruktur 16a vorbei austritt, durch die stromabwärtigen Photodetektoren 18b, 18c etc. absorbiert werden. In diesen Szenarios wird das ganze Licht, das in das System eintritt, durch jeden der jeweiligen elektrischen Schaltkreise 20 in elektrische Signale umgewandelt, die dann summiert werden, um einen hohen dynamischen Bereich für eine ReLU-Funktionalität bereitzustellen, z.B. steigt der Ausgangsstrom mit zunehmender Lichtintensität linear an, wie bei Bezugszeichen 14 gezeigt. Sollte die Vorrichtung aufgrund einer höheren Lichtintensität oder einer niedrigeren Lichtintensität weiter abgestimmt werden müssen, ist es außerdem möglich, Wellenleiterstrukturen und jeweilige Photodetektoren hinzuzufügen oder wegzunehmen.
  • Bei Ausführungsformen kann jede/jeder der Wellenleiterstrukturen 16a, 16b und 16c und des MMI-Kopplers 12 aus einem Halbleitermaterial unter Verwendung konventioneller Lithographie-, Ätz- und Abscheidungsverfahren gefertigt werden, so dass hierin keine weitere Erklärung für ein vollständiges Verstehen der vorliegenden Offenbarung erforderlich ist. Bei bevorzugten Ausführungsformen können die Wellenleiterstrukturen 16a, 16b und 16c und der MMI-Koppler 12 aus einem Si-Material gefertigt sein; obwohl hierin andere Halbleitermaterialien in Betracht gezogen werden. Beispielsweise kann das Halbleitermaterial aus irgendeinem geeigneten Material zusammengesetzt sein, umfassend, aber nicht darauf beschränkt, Si, SiGeC, SiC, GaAs, InAs, InP, und andere III/V- oder II/VI-Verbindungshalbleiter. Außerdem können die Photodetektoren 18 irgendein konventioneller Photodetektor sein, der aus einem Material zusammengesetzt ist, das verschieden von den Wellenleiterstrukturen 16a, 16b, 16c ist. Beispielsweise können die Photodetektoren 18 ein SiGe-Material mit oder ohne einen Nitrid-Liner und entweder eingebettet innerhalb des Halbleitermaterials oder über einer Oberfläche des Halbleitermaterials der Wellenleiterstrukturen 16a, 16b, 16c sein.
  • 2 zeigt einen elektrischen Schaltkreis 20, der mit der Photonikvorrichtung (optischen Vorrichtung) von jeglicher der hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird. Wie gezeigt, umfasst der elektrische Schaltkreis 20 eine Diode 21, die in Reihe mit einem Verstärker 23 und einem Transistor 25 verbunden ist. Bei Ausführungsformen ist der Verstärker 23 optional. Der Transistor 25 kann ein PMOS oder ein NMOS sein, der durch Vdd vorgeladen ist. Im Betrieb erzeugt jeder der Photodetektoren einen Photostrom, der in seinen jeweiligen Schaltkreis 20 eingegeben wird, und, mit Hilfe von der Vorladung, entlädt der jeweilige Schaltkreis 20 einen elektrischen Strom. Bei Ausführungsformen kann der Verstärker 23 den durch den Photodetektor bereitgestellten Photostrom verstärken. Der elektrische Strom jeder der Schaltkreise 20 kann dann summiert werden, um die ReLU-Funktionalität bereitzustellen, z.B. steigt der Ausgangsstrom mit zunehmender Lichtintensität linear an, wie bei Bezugszeichen 14 von 1 gezeigt.
  • 3 zeigt eine lineare optische neuromimetische Vorrichtung 10b mit einer Vielzahl von Photodetektoren 18a, 18b, 18c, 18d, die mit einer einzelnen Wellenleiterstruktur 16 entlang ihrer Länge gekoppelt sind. Bei diesen Ausführungsformen kann jeder der Photodetektoren 18a, 18b, 18c, 18d die gleiche Größe, z.B. Länge, haben; obwohl, wie in Bezug auf 4 und 5 erörtert, hierin auch verschieden große Photodetektoren in Betracht gezogen werden. Außerdem sind, wie bei jeder der Ausführungsformen, die Photodetektoren 18a, 18b, 18c, 18d mit einem jeweiligen elektrischen Schaltkreis 20 gekoppelt. Es sollte für die Fachleute auch klar sein, dass, wie bei jeder der Ausführungsformen, abhängig von dem gewünschten Frequenzbereich irgendeine Anzahl N+1 von Photodetektoren zur Verwendung hierin in Betracht gezogen wird.
  • Bei der Konfiguration von 3 empfängt der Photodetektor 18a, der mit der Wellenleiterstruktur 16 gekoppelt ist, Licht und erzeugt einen Photostrom für einen Input in seinen jeweiligen Schaltkreis 20. Der elektrische Schaltkreis 20 erzeugt dann einen elektrischen Strom aus dem Photostrom. Jegliches Licht, das an dem Photodetektor 18a vorbei austritt oder wenn der Photodetektor 18a gesättigt wird, geht dann in den nächsten Photodetektor 18b über. Der Photodetektor 18b erzeugt dann einen Photostrom, der in seinen jeweiligen elektrischen Schaltkreis 20 eingegeben wird, um den Photostrom in einen elektrischen Strom umzuwandeln. Dieser gleiche Prozess geht weiter, bis das ganze verbleibende Licht absorbiert ist, z.B. durch den Photodetektor 18d (falls genug Licht verfügbar ist). Auf diese Weise trägt das ganze Licht, das in die Wellenleiterstruktur 16 eintritt, zu einem elektrischen Signal bei, das summiert wird, um einen dynamischen Bereich für eine ReLU-Funktionalität bereitzustellen.
  • 4 zeigt eine lineare optische neuromimetische Vorrichtung 10c mit einer Vielzahl von Photodetektoren 18a', 18b', 18c', 18d' verschiedener Längen, von denen jeder mit einer linearen Wellenleiterstruktur 16 entlang ihrer Länge gekoppelt ist. Auch ist jeder der Photodetektoren 18a', 18b', 18c', 18d' mit einem jeweiligen elektrischen Schaltkreis 20 gekoppelt. Bei dieser Konfiguration sind die Längen der Photodetektoren wie folgt: 18a'>18b'>18c'>18d'. Wie den Fachleuten klar sein sollte, absorbieren längere Photodetektoren mehr Licht als kürzere Photodetektoren, so dass, abhängig von der Lichtintensität, der Großteil des Lichts durch den Photodetektor 18a' absorbiert werden kann.
  • Bei der Konfiguration von 4 empfängt der Photodetektor 18a Licht und erzeugt einen Photostrom für einen Input in seinen jeweiligen Schaltkreis 20. Der elektrischer Schaltkreis 20 erzeugt dann einen elektrischen Strom aus dem Photostrom. Jegliches Licht, das an dem Photodetektor 18a' vorbei austritt oder wenn der Photodetektor 18a gesättigt wird, geht in den nächsten Photodetektor 18b' über. Der Photodetektor 18b' erzeugt dann einen Photostrom, der in seinen jeweiligen elektrischen Schaltkreis 20 eingeben wird, um den den Photostrom in einen elektrischen Strom umzuwandeln. Dieser gleiche Prozess geht weiter, bis das ganze verbleibende Licht absorbiert, z.B. durch den Photodetektor 18d' absorbiert, ist (falls genug Licht verfügbar ist). Auf diese Weise trägt das ganze Licht, das in die Wellenleiterstruktur 16 eintritt, zu einem elektrischen Signal bei, das summiert wird, um einen dynamischen Bereich für eine ReLU-Funktionalität bereitzustellen.
  • 5 zeigt auch eine lineare optische neuromimetische Vorrichtung 10d umfassend eine Vielzahl von Photodetektoren 18a', 18b', 18c', 18d' verschiedener Längen, z.B. 18a'>18b'>18c'>18d', die mit der einzelnen Wellenleiterstruktur 16 entlang ihrer Länge gekoppelt sind. Wie in der in 4 gezeigten Ausführungsform, ist jeder der Photodetektoren 18a', 18b', 18c', 18d' mit einem jeweiligen elektrischen Schaltkreis 20 gekoppelt; jedoch ist bei dieser Konfiguration nun der kleinste (z.B. kürzeste) Photodetektor 18d' am nächsten bei dem Licht-Input, wobei die nachfolgenden Photodetektoren 18c', 18b', 18a', in sequenzieller Reihenfolge, mit der Wellenleiterstruktur 16 gekoppelt sind. Der Betrieb der linearen optischen neuromimetischen Vorrichtung 10d ist ähnlich zu jenem mit 4 beschriebenen, wobei es sich versteht, dass der Photodetektor 18d' das hereinkommende Licht teilweise absorbiert, was wahrscheinlich darin resultiert, dass einer oder mehrere der stromabwärtigen Photodetektoren 18a, 18b', 18c' das zusätzliche Licht empfangen, um einen Photostrom zu erzeugen und zu dem elektrischen Signal beizutragen, das dann summiert wird, um einen dynamischen Bereich für eine ReLU-Funktionalität bereitzustellen.
  • 6 zeigt eine optische neuromimetische Vorrichtung 10e mit einer alternativen elektrischen Schaltung 20a1, 20a2, 20a3, 20a4, die einen jeweiligen Transistor 25a, 25b, 25c, 25d umfasst. Bei dieser Ausführungsform weisen die jeweiligen Transistoren 25a, 25b, 25c, 25d jeweils einen verschiedenen Bereich (W/L) auf. Insbesondere weist bei dieser Ausführungsform jeder nachfolgende Transistor 25a, 25b, 25c, 25d, der weiter weg von der Lichtquelle ist, einen größeren Bereich, L4>L3>L2>L1, auf. Auf diese Weise kann jede elektrische Schaltung 20a1, 20a2, 20a3, 20a4 einen größeren elektrischen Strom mit einer Abnahme einer Lichtabsorption aus seinem jeweiligen Photodetektor 18a, 18b, 18c, 18d erzeugen. Obwohl nicht gezeigt, sollte auch klar sein, dass die elektrische Schaltung die Diode umfassen kann.
  • 7 zeigt eine optische neuromimetische Vorrichtung 10f mit einer alternativen elektrischen Schaltung 20b1, 20b2, 20b3, 20b4. Zusätzlich zum Aufweisen verschiedener Bereiche, wie in Bezug auf 6 erwähnt, umfasst jede Schaltung 20b1, 20b2, 20b3, 20b4 auch zwei Transistoren 25, 27, die in Reihe vorgesehen sind. Bei dieser Konfiguration kann der Transistor 27 durch ein Anlegen einer Eingangsspannung, z.B. IV oder 0V, ein- und ausgeschaltet werden, um die Vorrichtung abzustimmen. Beispielsweise ermöglicht ein Einschalten des Transistors 27 mit einer Eingangsspannung IV, dass der Photostrom von jeweiligen Photodetektoren 18b, 18c in dem Summierungsprozess genutzt wird; wohingegen eine Eingangsspannung 0V verhindert, dass der Photostrom von jeweiligen Photodetektoren 18a, 18d in dem Summierungsprozess genutzt wird. Auf diese Weise stellt die optische neuromimetische Vorrichtung 10f eine weitere Abstimmbarkeit mit einem vergrößerten dynamischen Bereich bereit. Es ist zu erwähnen, dass, als ein spezifisches Beispiel, der erste Zweig 20b1 und der letzte Zweig 20b4 deaktiviert werden können, wodurch ein weiterer wichtiger neuronaler Transfer, d.h. die bei 14a gezeigte Sigmoid-Funktion, nachgeahmt wird. Es sollte klar sein, dass jeglicher der Photodetektoren 18a, 18b, 18c, 18d ein- und ausgeschaltet werden kann, und dass die in 7 bereitgestellten Signale zu illustrativen, nicht beschränkenden Zwecken dienen.
  • 8 zeigt eine optische neuromimetische Vorrichtung 10g mit einer abstimmbaren Stromspiegel-Schaltung 20c. Bei dieser Implementierung wird durch den Wellenleiter 16 hindurchgehendes Licht durch Photodetektoren 18 teilweise absorbiert, wobei es einen Photostrom (ipd1...x) erzeugt. Der Photostrom kann durch die abstimmbaren Stromspiegel 20c verstärkt werden, was in nahezu jedem Stromwert (i1,...x) resultiert. Alle der Stromwerte können aufsummiert werden, wie bereits erwähnt, wobei der elektrische Output durch Regulieren der Stromspiegel 20c abgestimmt wird.
  • 9 zeigt eine optische neuromimetische Vorrichtung 10h mit Kopplern 22. Bei dieser Implementierung wird durch die Wellenleiterstruktur 16 hindurchgehendes Licht teilweise mit den entsprechenden Photodetektoren 18 mit Hilfe von Richtkopplern oder adiabatischen Kopplern 22 gekoppelt. Bei Ausführungsformen ist die Interaktion zwischen der Wellenleiterstruktur 16 und den Kopplern 22 auf evaneszenter Kopplung basiert, obwohl die Interaktion zwischen den Kopplern 22 und Photodetektoren 18 entweder sich eine evaneszente Kopplung oder eine Stoßkopplung (butt-end coupling) zunutze machen kann.
  • 10 zeigt eine optische neuromimetische Vorrichtung 10i mit Ringresonatoren 24. Bei dieser Implementierung sind die Ringresonatoren 24 mikrooptische Ringresonatoren, die zwischen der Wellenleiterstruktur 16 und jeweiligen Photodetektoren 18a, 18b, 18c, 18d gekoppelt sind. Wie es den Fachleuchten klar sein sollte, ist der Ringresonator 24 ein Satz von Wellenleitern, bei denen wenigstens einer eine geschlossene Schleife ist, die mit dem Licht-Input, z.B. Wellenleiterstruktur 16, und -Output, z.B. Photodetektoren, gekoppelt ist. Wenn Licht der resonanten Wellenlänge von der Input-Wellenleiterstruktur 16 durch die Schleife hindurchgeht, baut sich seine Intensität über mehrere Rundgänge aufgrund konstruktiver Interferenz auf und wird zu dem Photodetektor ausgegeben. Weil nur einige ausgewählte Wellenlängen innerhalb der Schleife in Resonanz sind, fungiert der optische Ringresonator als ein Filter. Zusätzlich können zwei oder mehr Ring-Wellenleiter miteinander gekoppelt sein, um einen Add/Drop-Optikfilter zu bilden.
  • 11A-11D zeigen eine alternative Schaltung, die mit den optischen neuromimetischen Vorrichtungen gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung implementiert werden kann. Insbesondere zeigt 11A einen Differenz-Op-Amp, 11B zeigt einen Integrier-Op-Amp, 11C zeigt einen Differentiator-Op-Amp und 11D zeigt einen Summier-Op-Amp. Durch Verwenden dieser verschiedenen Operationsverstärker sind zusätzliche Operationen möglich, wie etwa beim Umgehen mit Spannungen (z.B. Summieren, Subtrahieren, Integrieren und Differenzieren).
  • Die optischen neuromimetischen Vorrichtungen können bei einer System-auf-Chip (system on chip; SoC)-Technologie verwendet werden. Es sollte für die Fachleute klar sein, dass SoC ein integrierter Schaltkreis (auch bekannt als ein „Chip“) ist, der alle Komponenten eines elektronischen Systems auf einem einzelnen Chip oder Substrat integriert. Da die Komponenten auf einem einzelnen Substrat integriert sind, verbrauchen SoCs viel weniger Energie und nehmen viel weniger Raum ein als Multi-Chip-Designs mit äquivalenter Funktionalität. Aus diesem Grund werden SoCs die dominante Kraft in Mobile-Computing (wie etwa in Smartphones)- und Edge-Computing-Märkten. SoC wird auch üblicherweise in eingebetteten Systemen und im Internet of Things verwendet.
  • Das (Die) Verfahren und/oder Strukturen wie oben beschrieben wird (werden) bei der Fertigung von Chips mit integriertem Schaltkreis verwendet. Die resultierenden Chips mit integriertem Schaltkreis können durch den Fertiger in Roh-Wafer-Form (das heißt, als einzelner Wafer, der mehrere ungehäuste Chips aufweist), als Nacktchip (bare die), oder in einer gehäusten Form vertrieben werden. Im letzteren Fall ist der Chip in einer Einzelchipbaugruppe (wie etwa ein Kunststoffträger, mit Leitern, die an einem Motherboard oder einem anderen Träger eines höheren Levels befestigt werden) oder in einer Multichip-Baugruppe montiert (wie etwa ein keramischer Träger, der einen oder beide Oberflächenzwischenverbindungen oder vergrabene Zwischenverbindungen aufweist). In jedem Fall ist der Chip dann mit anderen Chips, diskreten Schaltelementen und/oder anderen Signalverarbeitungsvorrichtungen als Teil von entweder (a) einem Zwischenprodukt, wie einem Motherboard, oder (b) einem Endprodukt integriert. Das Endprodukt kann irgendein Produkt sein, das Chips mit integriertem Schaltkreis umfasst, und von Spielzeugen und anderen Low-End-Anwendungen bis zu fortgeschrittenen Computerprodukten reicht, die ein Display, ein Keyboard oder eine andere Eingabevorrichtung, und einen zentralen Prozessor aufweisen.
  • Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wurden zum Zwecke der Veranschaulichung präsentiert, sollen aber nicht erschöpfend oder auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein. Viele Modifikationen und Variationen sind für die gewöhnlichen Fachleute offensichtlich, ohne vom Umfang und der Idee der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hierin verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Prinzipien der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder technische Verbesserung gegenüber auf dem Markt erhältlichen Technologien am besten zu erklären, oder es anderen gewöhnlichen Fachleuten zu ermöglichen, die hierin offenbarten Ausführungsformen zu verstehen.

Claims (20)

  1. Struktur umfassend eine Vielzahl von Photodetektoren und eine elektrische Schaltung, die von den Photodetektoren erzeugten Photostrom in elektrischen Strom umwandelt und dann den elektrischen Strom aufsummiert, um eine neuronale Funktionalität nachzuahmen.
  2. Struktur nach Anspruch 1, wobei das Nachahmen einer Neuronaltransferfunktionalität ein Sigmoid oder Rectified-Linear-Unit (ReLU)-Output ist.
  3. Struktur nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Wellenleiterstruktur, die eine Vielzahl von Zweigen verschiedener Längen umfasst, wobei jeder der Zweige, an seinem Ende, einen jeweiligen Photodetektor umfasst.
  4. Struktur nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Wellenleiterstruktur, wobei die Vielzahl von Photodetektoren entlang ihrer Länge angeordnet sind.
  5. Struktur nach Anspruch 4, wobei jeder der Vielzahl von Photodetektoren eine verschiedene Länge hat.
  6. Struktur nach Anspruch 5, wobei die Länge jedes der Vielzahl von Photodetektoren entlang der Länge der Wellenleiterstruktur zunimmt oder abnimmt, während sie sich weiter weg von einem Input der Wellenleiterstruktur bewegen.
  7. Struktur nach Anspruch 4, wobei die Vielzahl von Photodetektoren mit der Wellenleiterstruktur durch Richtkoppler oder adiabatische Koppler oder Ringresonatoren gekoppelt sind.
  8. Struktur nach Anspruch 4, wobei die Vielzahl von Photodetektoren mit der Wellenleiterstruktur durch evaneszente Kopplung oder Stoßkopplung (butt-end coupling) gekoppelt sind.
  9. Struktur nach Anspruch 1, wobei die elektrische Schaltung eine Vielzahl von Schaltkreisen ist, von denen jeder einem jeweiligen der Vielzahl von Photodetektoren zugeordnet ist, wobei jeder aufeinanderfolgend positionierte elektrische Schaltkreis einen größeren Transistor als ein zuvor platzierter elektrischer Schaltkreis aufweist.
  10. Struktur nach Anspruch 9, wobei die elektrische Schaltung einen zweiten Transistor umfasst, der dazu konfiguriert ist, zu erlauben oder zu verhindern, dass der Photostrom dazu verwendet wird, einen elektrischen Strom für einen Output durch die elektrische Schaltung zu erzeugen.
  11. Struktur nach Anspruch 1, wobei die elektrische Schaltung abstimmbare Stromspiegel sind.
  12. Struktur umfassend: eine Wellenleiterstruktur; eine Vielzahl von Photodetektoren, die mit der Wellenleiterstruktur gekoppelt sind, von denen jeder in der Lage ist, aus als Input von der Wellenleiterstruktur empfangenem Licht einen Photostrom zu erzeugen; und eine elektrische Schaltung, die mit jedem jeweiligen Photodetektor der Vielzahl von Photodetektoren gekoppelt ist, wobei die elektrische Schaltung den Photostrom in elektrischen Strom umwandelt und dann den elektrischen Strom aufsummiert, um eine Sigmoid- oder Rectified-Linear-Unit (ReLU)-Neuronaltransferfunktion bereitzustellen.
  13. Struktur nach Anspruch 12, wobei die Wellenleiterstruktur eine Vielzahl von Zweigen verschiedener Längen umfasst und jeder der Zweige einen Photodetektor umfasst.
  14. Struktur nach Anspruch 12, wobei die Photodetektoren entlang einer Länge der Wellenleiterstruktur angeordnet sind.
  15. Struktur nach Anspruch 14, wobei jeder der Vielzahl von Photodetektoren eine verschiedene Länge hat, die entlang der Länge der Wellenleiterstruktur entweder zunimmt oder abnimmt, während sie sich weiter weg von einem Input der Wellenleiterstruktur bewegen.
  16. Struktur nach Anspruch 12, wobei die Vielzahl von Photodetektoren mit der Wellenleiterstruktur durch Richtkoppler oder adiabatische Koppler oder Ringresonatoren gekoppelt sind.
  17. Struktur nach Anspruch 12, wobei die elektrische Schaltung eine Vielzahl von Schaltkreisen ist, von denen jeder einem jeweiligen der Vielzahl von Photodetektoren zugeordnet ist, und jeder aufeinanderfolgend positionierte elektrische Schaltkreis einen größeren Transistor als ein zuvor platzierter elektrischer Schaltkreis aufweist.
  18. Struktur nach Anspruch 17, wobei die elektrische Schaltung einen zweiten Transistor umfasst, der dazu konfiguriert ist, zu erlauben oder zu verhindern, dass der Photostrom dazu verwendet wird, einen elektrischen Strom für einen Output durch die elektrische Schaltung zu erzeugen.
  19. Struktur nach Anspruch 12, wobei die elektrische Schaltung abstimmbare Stromspiegel sind.
  20. Verfahren umfassend: Erzeugen eines Photostroms durch eine Vielzahl von Photodetektoren; Umwandeln jedes Photostroms der Vielzahl von Photodetektoren in einen elektrischen Strom; und Aufsummieren jedes aus jedem Photostrom umgewandelten elektrischen Stroms und Ausgeben der Summe jedes elektrischen Stroms als eine Sigmoid- oder Rectified-Linear-Unit (ReLU)-Neuronalnetzfunktion.
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