本发明专利技术提出了一种基于硅基微环谐振器和硫系相变材料的超低功耗光子芯片及神经网络架构。将硫系相变材料集成在硅基微环谐振器上，这有效减小光子芯片集成尺寸并在低功耗下获得高信噪比和读出对比度，实现了一种超低功耗的光子芯片；该光子芯片即为单位神经元，通过改变光脉冲能量/数量来诱导非易失相变材料相变以设置突触权重，无需额外加热，能量利用效率大幅提升。基于相变材料的多态相变特性结合微环谐振器尺寸变化引起的共振波长调制特性，以此来赋予光信号输出端的多级权重。进一步利用多路复用技术实现多位、多层并行神经元，扩展权重计算规模，进而提高了计算性能。本发明专利技术有效利用光子作为信息载体，充分发挥光子芯片高并行、低功耗的天然优势，结合相变材料的非易失调控能力及其微纳尺度集成，这有望提供超高速、超低功耗、大带宽的神经形态计算能力，突破后摩尔时代芯片发展中最本质的算力和能效瓶颈，构建高性能神经网络计算系统。构建高性能神经网络计算系统。构建高性能神经网络计算系统。
【技术实现步骤摘要】
一种超低功耗的光子芯片及神经网络架构
[0001]本专利技术属于光子信号处理领域，具体涉及一种基于硅基微环谐振器和硫系相变材料的超低功耗光子芯片及神经网络架构。
技术介绍
[0002]随着信息科技时代的飞速发展，集成电路不断向着高集成度方向发展，同时考虑到冯
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诺依曼体系的能效和算力瓶颈，由此，在芯片或集成电路中带来了限速、发热和高功耗等问题。越来越多的迹象表明，光学技术具有实现快速数据传输与处理的前景。由于硅基光电子技术具有实现高集成密度、低功耗和高性能传输、计算和存储的潜力，其与集成电路CMOS制造工艺兼容，因此，被认为是后摩尔时代的核心技术。然而，目前硅基光电子芯片尺寸和能耗依然偏大，并且需要持续的电源供电来保持状态，这在很大程度上限制了该类器件的算力和能效。在此背景下，非易失性光电集成器件有其独特的优势。
[0003]硫系相变材料具有快速可逆相变、相变前后巨大的光电学性能反差及多相态高稳定性的性能优势，结合其纳米级的集成尺寸，因此这类材料在非易失性集成光电子应用方面显示出巨大的前景。微环谐振器因其品质因子值高、尺寸小和开关阈值低等优势，成为实现集成光开关的相敏结构。因此，用相变材料集成硅基微环谐振器构建单个存算一体单元，这有效减小集成器件尺寸且在微小改变相变材料相变性能时，即可获得高分辨信噪比和读出对比度。因此，硫系相变材料集成硅基微环谐振器为超低功耗、超紧凑和超快非易失性集成光子计算芯片提供了一种有前景的解决方案，有望超越冯
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诺依曼体系的能效限制。
[0004]随着5G、互联网、物联网和大数据及人工智能时代的快速发展,人工神经网络在计算机视觉、自然语言识别等领域发挥着越来越重要的作用。利用相变材料与硅基微环谐振器集成为单个神经元，通过改变光脉冲能量/数量来设置突触权重。此外，微环谐振器对特定波长光信号的谐振选择，可以消除相邻神经元之间的串扰，使用波分复用技术对几个不相交的相变材料集成微环谐振器进行多位、多层寻址，来执行提前定义好规则的神经网络架构。基于此，结合硫系相变材料的多态相变特性，这为超低功耗多级、多位、多层的存算一体神经网络架构和芯片提供了理论依据。
技术实现思路
[0005]基于上述问题，本专利技术提供了一种超低功耗的光子芯片及神经网络架构，以光子作为信息载体，有效利用微环谐振器的高灵敏度结合相变材料的非易失调控能力，充分发挥光子芯片高并行、低功耗的天然优势，有望提供超高速、超低功耗、大带宽的神经形态计算能力，突破后摩尔时代芯片发展中最本质的算力/能效瓶颈，构建真正高性能神经网络计算系统。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供以下的技术方案：
[0007]一种超低功耗的光子芯片，其特征在于，光子芯片由硅基谐振微环、硫系相变材料和波导组成，其中所述波导包括直波导和弯曲波导，所述硫系相变材料集成在硅基谐振微
环和/或直波导上。
[0008]用相变材料集成硅基微环谐振器构建单个存算一体单元，基于此，所述超低功耗的光子芯片可单独用作光计算器件、光存储器件或光开关器件。
[0009]所述硫系相变材料包括：S、Se、Te、SbTe、GeTe和GeSbTe基相变材料体系，在这些体系中基于需求可参杂N、Ag、Sb、Si、In、C、O、Ti、Sn、Bi等元素中的至少一种；也可由上述任意两种相变材料构成的超晶格相变层组成。
[0010]所述硫系相变材料，集成在硅基谐振环或/和直波导上，但谐振环上和光波导上集成的相变材料可依据性能需求选择不同类型的相变材料；
[0011]所述硫系相变材料，集成厚度在20nm以下，需在满足工艺水平及集成性能需求下的小集成尺寸，其不同相态折射率差值大于2.5或/和某一相态的消光系数接近于0；
[0012]所述硫系相变材料,是否加保护层取决于超快激光诱导材料相变时的元素挥发性和结构稳定性，
[0013]可选地，其中包层薄膜包括：SiO2、ZnS、ITO、Al2O3或MgF2，可通过PVD、PECVD、ALD等方法制备包层；
[0014]所述硅基谐振微环的衬底材料为硅材料，埋置氧化物层为二氧化硅，其位于所述衬底上，随后光波导层位于所述掩埋氧化物层上，此结构便于缩小器件尺寸，降低功耗。
[0015]所述微环谐振器，其微环半径尺寸小于10μm，在满足工艺水平及性能需求的紧凑尺寸；
[0016]所述同位超低功耗光芯片中硅基谐振环个数、工作波段及带宽根据实际应用需要设定；
[0017]所述光波导材料在所用光波段具有透明窗口,采用硅、氮化硅、铌酸锂中的至少一种制成；
[0018]进一步的，上述描述的硫系相变材料结合硅基谐振环组成的超低功耗光子芯片，可扩展为多位、多层并行超低功耗光子芯片，对应结构包括：
[0019]所述同位超低功耗光子芯片中谐振环尺寸具有相同的物理参数，集成相变材料的结晶程度保持一致，但集成长度不同；和/或
[0020]所述同位超低功耗光子芯片中谐振环尺寸不同，且集成相变材料的结晶程度和集成长度不同。来实现特定谐振波长光束的耦合选择，可以消除相邻光芯片元件之间的串扰；
[0021]所述同层不同位光子芯片中谐振环尺寸、个数及其上方集成相变材料具有相同的物理参数，但所述波导上边集成相变材料的结晶程度不同，对应光透过率不同；
[0022]可选地，所述同层超低功耗光子芯片中谐振环上集成的相变材料保持一致，光波导上集成的相变材料保持一致,但谐振环上和光波导上集成的相变材料可依据性能需求选择不同类型的相变材料；
[0023]可选地，所述不同层超低功耗光子芯片中集成的相变材料可不同，依据功能需求选择不同类型的相变材料；
[0024]进一步，所述超低功耗是指单一相变材料集成在硅基谐振环上发生波长可分辩失谐所需的能耗较小，对应单个集成单元的性能包括：
[0025]所述的超低功耗光子芯片中单一相变材料集成硅基谐振环发生失谐的最小开关能耗接近fJ级；
[0026]所述的超低功耗光子芯片中单一相变材料集成硅基谐振环存算读写速度在亚ns量级；
[0027]所述的超低功耗光子芯片中单个光子芯片的传输速度大于100Gbps；
[0028]和/或，进一步，所述超低功耗是指相变材料集成整个光子神经网络芯片的传输功耗低，对应相变材料的性能包括：
[0029]所述集成相变材料的非晶相或任意相态在工作波段的吸收损耗接近于0，对应相态消光系数要小于0.1；
[0030]所述集成相变材料在非晶相或晶相的折射率实部与硅波导的折射率值(3.45)较接近，这有助于集成器件中的模式匹配，减小集成损耗。
[0031]所述集成相变材料在可见光范围内大的光学吸收，便于用低能量可见波段激光辐照调控相变材料的不同相态；
[0032]利用上述所述的光子芯片为一个光子神经元，实现的超低功耗光子神经网络架构，其由输入模块、分光器、光子神经网络芯片运算模块以及输出模块组成；其中：
[0033]所述本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于硫系相变材料的超低功耗光子芯片，包括m个硅基谐振微环(8)、硫系相变材料(9)、直波导(10)和弯曲波导(11)，其特征在于，m个硅基谐振微环(8)位于所述的直波导(10)和弯曲波导(11)之间，所述的硫系相变材料(9)集成在硅基谐振微环(8)和/或直波导(10)上。2.根据权利要求1所述的基于硫系相变材料的超低功耗光子芯片，其特征在于，所述硫系相变材料(9)包括：S、Se、Te、SbTe、GeTe和GeSbTe基相变材料体系，在这些体系中基于需求可参杂N、Ag、Sb、Si、In、C、O、Ti、Sn、Bi元素中的至少一种；也可由上述任意两种相变材料构成的超晶格相变层组成。3.根据权利要求1或2所述的基于硫系相变材料的超低功耗光子芯片，其特征在于，所述的硫系相变材料(9)，集成厚度在20nm以下，不同相态折射率差值大于2.5或/和某一相态的消光系数接近于0。4.根据权利要求3所述的基于硫系相变材料的超低功耗光子芯片，其特征在于，所述硫系相变材料(9)是否加保护层取决于超快激光诱导材料相变时的元素挥发性和结构稳定性；包层薄膜包括SiO2、ZnS、ITO、Al2O3或MgF2。5.根据权利要求1所述的基于硫系相变材料的超低功耗光子芯片，其特征在于，所述硅基谐振微环(8)的衬底材料为硅材料，埋置氧化物层为二氧化硅，其位于所述衬底上，随后光波导层位于所述掩埋氧化物层上，且各硅基谐振微环(8)的微环半径尺寸小于10μm，各硅基谐振微环(8)的个数、工作波段及带宽根据实际应用需要设定，所述光波导材料在所用光波段具有透明窗口,采用硅、氮化硅、铌酸锂中的至少一种制成。6.根据权利要求1
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5任一所述的基于硫系相变材料的超低功耗光子芯片，其特征在于，所述超低功耗是指所述的硫系相变材料(9)集成在各个硅基谐振环(8)上发生可分辨波长失谐所需的功耗低，所述的硫系相变材料(9)具有大的折射率差和低的熔融温度，对应单个集成硅基谐振环(8)的性能包括：单个集成硅基谐振环发生失谐的最小开关能耗为fJ级；单个集集成硅基谐振环的存算读写速度在亚ns量级；对应单个光子芯片(7)的传输速度大于100Gbps；和/或所述超低功耗是指所述的硫系相变材料(9)集成整个光子芯片(7)的传输功耗低，对应所述的硫系相变材料(9)的性能包括：所述的硫系相变材料(9)的非晶相或任意相态在工作波段的吸收损耗接近于0，对应相态消光系数要小于0.1；所述的硫系相变材料(9)在非晶相或晶相的折射率实部与硅波导的折射率值(3.45)较接近。7.一种基于硫系相变材料的超低功耗光子芯片的网络架构，其特征在于，包括输入模块(1)、分光器(4)、光子神经网络芯片运算模块(5)以及输出模块(12)；所述的光子神经网络芯片运算模块(5)是由M
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N个权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：周立兵，杜嘉，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：
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