光学突触制造技术

一种光学突触，包括用于非易失性存储依赖于设备电阻的突触权重的忆阻设备，以及用于波导中的光学传输的易失性调制的光调制器。忆阻器件和光调制器连接在控制电路中，该控制电路可操作用于在写入模式中向忆阻器件提供编程信号以对突触权重进行编程，并且在读取模式中向光调制器提供取决于突触权重的电信号，由此根据编程的突触权重以易失性方式控制光传输。根据编程的突触权重以易失性方式控制光传输。根据编程的突触权重以易失性方式控制光传输。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学突触


[0001]本专利技术一般涉及光学突触，更具体地涉及用于调制神经形态网络中的光传输的光学突触。

技术介绍

[0002]神经形态网络以由神经系统的生物架构启发的方式执行计算任务。在人脑中，信息由通过突触互连的神经元的复杂网络处理。生物神经元从其他神经元接收输入信号，并且当神经元状态(或“膜电位”)越过阈值水平时生成输出信号(“动作信号”或“尖峰”)。这些尖峰经由突触被传送到其他神经元，突触由于神经元活动而改变它们的连接强度(“可塑性”或“突触权重”)。神经形态网络经由包括对应于神经元的节点的一连串网络层来仿真生物功能，这些节点经由突触互连，突触根据所存储的突触权重在相邻层中的连接节点之间中继加权信号。
[0003]神经形态网络可以在科学和技术中的许多应用中采用，包括计算机视觉、语音识别、音频/视频分析、医学诊断、遗传分析和药物设计。通过对突触权重进行编程来为给定应用配置网络。权重可以经由迭代训练过程来编程，在该迭代训练过程中，网络被暴露于针对应用的训练数据集，并且随着网络从训练数据“学习”而逐渐更新权重。然后，可以基于所讨论的应用的新的(未见过的)数据，应用具有由训练操作限定的固定权重的训练网络以用于推断。
[0004]在神经形态网络的电子实现中，信息被编码在电信号中，并且突触基于所存储的突触权重来调制电压/电流电平。在光学实现中，信息被编码在通过波导传输的光子信号的光功率和/或相位中。突触功能由光学突触实现，光学突触基于存储的突触权重调制波导中的光学传输。突触权重可经由在编程(或“写入”)操作模式中(例如，在网络训练期间)提供给突触的编程信号来编程。然后，在“读取”操作模式中可以应用编程的权重来调制网络中的传输，例如在推断期间。
[0005]电子域中有许多突触的实现方式，包括利用基于阻性存储单元的纳米器件的忆阻特性的电路。这些器件利用各种物理机制(例如，相变存储器(PCM)材料的电阻特性以及氧化物材料中的丝状、电化学或铁电切换)来非易失性地存储突触权重，突触权重取决于器件的可编程电阻。这种忆阻器件的密集交叉杆(cross
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bar)阵列提供了大规模并行的、高面积效率和能量效率的神经网络，其可以在集成电路中有效地实现。然而，对于在光学领域中实现突触的建议很少。在美国专利申请公开号2018/0267386A1中描述了光学突触的两个例子，其公开了具有基于PCM材料的“直接”光权重(即，权重以非易失性方式存储在光学域中)的突触。
[0006]非常需要光学突触的改进的实施方式。

技术实现思路

[0007]本公开的一个方面提供了一种光学突触，包括：忆阻器件，用于非易失性地存储依
赖于器件电阻的突触权重，以及光学调制器，用于波导中的光学传输的易失性调制。忆阻器件和光调制器连接在控制电路中，该控制电路可操作用于在写入模式中向忆阻器件提供编程信号以编程突触权重，以及在读取模式中向光调制器提供取决于突触权重的电信号，由此根据编程的突触权重以易失性方式控制光传输。
[0008]体现本公开的光学突触利用间接光学权重。通过对忆阻器件的非易失性电阻进行编程，突触权重被单独地存储在电子域中。调制是基于提供给光调制器的权重相关的电信号在光学域中以易失性方式执行的。非易失性忆阻器件和易失性光调制器的这种耦合提供了极其高效的光子突触，其中，可以独立于非易失性存储器的电特性来调谐突触的光学属性。可以针对优化的光学响应来工程设计光调制器，并且可以针对优化的权重存储特性来工程设计忆阻器件，从而增强突触性能。体现本公开的突触可以容易地制造为集成光子结构。改善的突触效率提供了高性能、能量高效的用于光学神经网络的集成结构。此外，利用两个用于加权存储和光调制的耦合系统，允许动态地调整独立系统以实现各种突触可塑性效应。这些和其它优点将在下面更详细地解释。
[0009]优选实施例的控制电路包括用于在写入模式下将光调制器与忆阻器件电解耦的解耦电路。这种解耦保护光调制器免受施加到忆阻器件的编程信号的影响。忆阻器件还有利地连接在分压器中，使得在读取模式中提供给光调制器的电信号取决于分压器的输出信号。这允许忆阻器件和光调制器之间的电压分离被调谐到读取模式中的调制器的优化的操作范围。
[0010]光调制器可以是吸收性的或折射性的。以下特别有效的实施方案使用折射式光学调制器，一些利用电光效应，其它利用热光效应。特别地，光调制器可以包括电光调制器，并且在读取模式中提供的电信号可以包括用于电光调制器的驱动电压。在优选实施例中，电光调制器利用铁电材料来实现光学相移器。光学相移器包括铁电材料，其光学耦合到波导，设置在用于在读取模式中施加电信号的一对电极之间。这里，在控制电路中包括上述解耦电路抑制了在写入模式下铁电材料中的铁电畴转换。
[0011]在其它实施例中，光调制器包括热光调制器，并且在读取模式中施加的电信号包括用于热光调制器的加热器的驱动电流。热光调制器可以使用光学相移器来实现，其中加热器包括与波导热接触的金属层，该金属层设置在用于施加电信号的一对触点之间。
[0012]电光调制器和热光调制器可以有效地与忆阻器件集成在单片集成电路中，以提供体现本公开的集成光学突触。
[0013]体现本公开的突触可以适于通过控制易失性子系统和非易失性子系统中的一者或两者来实现各种突触可塑性效应。特别地，因为光调制器是易失性的，所以可以控制该子系统以模拟生物突触的短期可塑性(STP)特征。这里，控制电路可以包括响应于突触控制信号的突触控制逻辑。突触控制逻辑可操作为根据突触控制信号来改变在读取模式中提供给光调制器的电信号，以实现期望的短期可塑性效应。可以独立控制非易失性子系统以实现各种长期可塑性(LTP)效应。特别地，突触控制逻辑还可操作用于改变在写模式中提供给光调制器的编程信号，以实现期望的长期可塑性(LTP)效应。下面更详细地解释突触控制信号和STP/LTP特性的模拟。
[0014]本公开的另一方面提供了一种神经形态网络，包括多个节点，其中节点对经由相应波导互连以用于在每一对的节点之间传输光信号，其中每一波导包括如上所述的光学突
触。
[0015]下面将参考附图通过说明性和非限制性示例更详细地描述本公开的实施例。
附图说明
[0016]图1是体现本公开的光学突触的示意性电路图；
[0017]图2示出了图1电路中的忆阻器件的示例性实现；
[0018]图3示出了图1的电路中的光调制器的示例性实现；
[0019]图4A和4B示出了图3调制器中的光学相移器的一个实施例的结构和操作；
[0020]图5示出了用于光学突触以及图4A的相移器的更详细电路图；
[0021]图6A和6B示出了光学相移器的另一个实施例的结构和操作；
[0022]图7示出了体现本公开的集成光学突触的结构；
[0023]图8A和8B示出了体现本公开的另外的集成突触结构；
[0024]图9A和9B图示了体现本公开的突触中的等离子激元(plasmon本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光学突触，包括：忆阻器件，用于根据所述器件的电阻的突触权重的非易失性存储；以及光学调制器，用于波导中的光传输的易失性调制；以及所述忆阻器件和光学调制器连接在控制电路中，该控制电路可操作用于在写入模式中向所述忆阻器件提供编程信号以对突触权重进行编程，以及在读取模式中向光学调制器提供取决于突触权重的电信号，由此根据所编程的突触权重以易失性方式控制光传输。2.如权利要求1所述的光学突触，其中，所述控制电路包括解耦电路，所述解耦电路用于在写入模式中将所述光学调制器与忆阻器件电解耦。3.如权利要求1所述的光学突触，其中，所述忆阻器件连接在分压器中，并且在读取模式中提供至所述光学调制器的电信号取决于所述分压器的输出信号。4.如权利要求1所述的光学突触，其中，所述忆阻器件和光学调制器集成在单片集成电路中。5.如权利要求1所述的光学突触，其中，所述光学调制器包括电光调制器，且所述电信号包括所述电光调制器的驱动电压。6.如权利要求5所述的光学突触，其中，所述电光调制器包括光学相移器，所述光学相移器包括铁电材料，所述铁电材料光学耦合至所述波导，设置在用于施加所述电信号的一对电极之间，并且其中，所述控制电路包括解耦电路，所述解耦电路用于在所述写入模式中将所述光学调制器与所述忆阻器件电解耦，以抑制所述铁电材料中的铁电畴切换。7.如权利要求6所述的光学突触，其中，所述铁电材料包括钛酸钡、铌酸锂、和锆钛酸铅中的一种。8.如权利要求6所述的光学突触，其中，所述忆阻器件和光学调制器集成在单片集成电路中，并且所述忆阻器件形成在所述电极之一上。9.如权利要求6所述的光学突触，其中所述忆阻器件和光学调制器集成在单片集成电路中，且所述忆阻器件形成在铁电层上。10.如权利要求1所述的光学突触，其中，所述光学调制器包括热光调制器，且所述电信号包括用于所述热光调制器的加热器的驱动电流。11.如权利要求10所述的光学突触，其中，所述热光调制器包括光学相移器，且所述加热器包括金属层，所述金属层与所述波导热接触，且设置于用以施加所述电信号的一对触点之间。12.如权利要求11所述的光学突触，其中，所述忆阻器件和光学调制器集成在单片集成电路中，并且所述忆阻器件形成在所述触点之一上。13.如权利要求1所述的光学突触，其中，所述光学调制器包括马赫
‑
曾德尔干涉仪。14.如权利要求1所述的光学突触，其中，所述光学调制器包括等离子激元调制器。15.如权利要求1所述的光学突触，其中，所述控制电路包括突触控制逻辑，其响应于突触控制信号，所述突触控制逻辑可操作以根据所述突触控制信号改变在读取模式中提供至所述光学调制器的电信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：