基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器及其应用制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术实现了高响应速度、大光学带宽、低功耗、集成度高的非线性激活器。本发明专利技术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。狭缝波导的非线性激活器的制作方法及其应用。狭缝波导的非线性激活器的制作方法及其应用。

【技术实现步骤摘要】
基于二维材料与双狭缝波导的非线性激活器及其应用


[0001]本专利技术属于光学计算
，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。

技术介绍

[0002]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α
s
表示介质的可饱和吸收系数；P
sat
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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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
–
Zehnder interferometer)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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]目前业界已经专利技术了数种全光非线性激活函数实现方法，包括：
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。

技术实现思路

[0013]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术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。
[0014]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，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。
[0015]本专利技术的一个实施例中，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。
[0016]本专利技术的一个实施例中，所述金属狭缝波导的构成金属包括金或银。
[0017]按照本专利技术的另一方面，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。
[0018]本专利技术的一个实施例中，所述SOI基片顶部硅层厚度260nm，其下的二氧化硅层厚度1μm。
[0019]本专利技术的一个实施例中，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。
[0020]本专利技术的一个实施例中，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。
[0021]本专利技术的一个实施例中，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。
[0022]本专利技术的一个实施例中，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。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：周紫文，熊佳旺，刘竟泽，汪炜钦，严思琦，唐明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：