微环相变突触器件及其三维空间光调制方法技术

本发明专利技术提出一种微环相变突触器件及其三维空间光调制方法

【技术实现步骤摘要】
微环相变突触器件及其三维空间光调制方法、装置


[0001]本专利技术属于微纳光子器件
，尤其是一种微环相变突触器件及其三维空间光调制方法
、
装置
。

技术介绍

[0002]硫系化合物相变材料与光子计算相结合形成的相变光子神经形态计算作为一种前沿热点技术，有望满足兼顾非易失
、
可配置
、
高集成度的需求
。
光子神经形态计算的实现方式多种多样，但如傅里叶光学
、
衍射光学
、
损耗调制
、
相位调制等方式都无法满足神经突触非易失的要求，而神经计算网络中的权重在调整好后，大部分时间是不需要更改的，这使得器件的非易失性对提升网络计算性能起着至关重要的作用
。
硫系化合物相变材料在受到外部电
、
光
、
热等激励作用时，其晶格结构能够在非晶态
(
完全无序
)
和结晶态
(
完全有序
)
两个状态之间切换，表现出明显的折射率
、
电阻率等外部特性差异，且这两个状态的特性在不施加激励时能够继续保持，体现出非易失性
。
因此基于硫系化合物相变材料的相变光子神经形态计算以优于一般光子计算的非易失性，一经提出便引起学者广泛关注
。
[0003]光突触与电驱动的人工突触相比，利用光作为调制信号，完美集成了带宽高
、
抗干扰能力强/>、
信号传输速度快
、
能耗低等优点
。“类脑”神经形态计算仿照人脑的工作方式，以神经元与神经突触为基本单元，从互联架构与信息处理模式等方面模拟生物神经系统，可对数据并行处理，更加高效
、
节能
。
人工突触是构建类脑神经形态计算的核心组件，其性能决定了整个神经形态计算的能效
。
相较传统电子突触依靠电激励使电子在晶体管内部反复流动才可实现矩阵乘法运算，在光计算中只需要通过设计所需功能的光学结构，就可以在光前向传播的过程中完成矩阵乘法运算，更快速
、
低耗
、
并行
。
[0004]当前相变光子器件的调制主要通过光倏逝耦合的方式将信号光路与控制光路共面设计，尽管可以实现高加热效率与更快的器件状态切换速度
(
～
ns)
，但却会极大限制可集成器件阵列规模以及控制灵活性
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种微环相变突触器件及其三维空间光调制方法
、
装置
。
[0006]为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一方面，本专利技术提出一种微环相变突触器，包括衬底
、
直波导和环形波导，所述环形波导位于直波导的一侧，所述环形波导与直波导之间具有耦合距离，在所述环形波导的至少一处覆盖有相变层
。
[0008]进一步地，所述衬底的材料为
SiO2，所述直波导和环形波导的材料均为
Si
，所述相变层的相变材料为
Ge2Sb2Te5。
[0009]进一步地，在所述环形波导覆盖有相变层的任一位置处的相变层的厚度相等
。
[0010]进一步地，所述环形波导
、
直波导均为脊形波导
。
[0011]另一方面，本专利技术提供一种微环相变突触器件的三维空间光调制方法，包括：
[0012]生成具有所需波形的空间光，所述所需波形为脉冲波形或者连续波形；
[0013]空间光从上方照射到微环相变突触器件上，对微环相变突触器件中的相变层相变材料进行晶化状态与非晶化状态调制；
[0014]生成测试光，直波导一端作为微环相变突触器件的输入端，直波导的另一端为微环相变突触器件的输出端，测试光从直波导输入端进入微环相变突触器件，从直波导输出端输出的光信号入射至光电探测器，光电探测器将光信号转化为电信号，再通过数据采集卡记录
。
[0015]进一步地，所述空间光的波长为
850nm
或
1550nm
，所述测试光的波长范围为
1500nm
‑
1630nm。
[0016]另一方面，本专利技术提供一种微环相变突触器件的三维空间光调制装置，包括空间光生成单元
、
测试光生成单元
、
光栅耦合器
、
微环相变突触器件
、
光电探测器
、
数据采集卡；
[0017]空间光生成单元生成具有所需波形的空间光，所述空间光从上方照射到微环相变突触器件上，对微环相变突触器件中的相变层材料进行晶化状态与非晶化状态调制，其中所述所需波形为脉冲波形或者连续波形；
[0018]测试光生成单元生成的测试光通过光栅耦合器进入微环相变突触器件的直波导输入端，从直波导输出端输出的光信号入射至光电探测器，光电探测器将光信号转化为电信号，再通过数据采集卡记录
。
[0019]进一步地，所述测试光生成单元至少包括测试激光源和偏振器，所述测试激光源生成设定波长的激光，偏振器调整测试激光源输出激光的偏振
。
[0020]进一步地，所述空间光生成单元包括激光器，所述激光器为连续光激光器或者脉冲激光器，所述激光器的输出端连接裸光纤，激光器输出的脉冲光信号或连续光信号通过裸光纤照射微环相变突触器上的相变层，对相变材料进行晶化状态与非晶化状态调制
。
[0021]相对于现有技术，本专利技术能够产生的有益技术效果是：
[0022]本专利技术基于相变材料
GST
设计了一种微环相变突触器件，是一种非易失多值微环相变突触器件，用于作为全光神经形态计算的一类基础器件
。
[0023]本专利技术通过三维空间光调制微环相变突触器件其相变材料的晶化状态，实现通过光纤直接从顶部照射相变材料的方式对器件进行加热调制，使微环相变突触器件的状态实现切换，可以采用不同波长空间光进行调制
(
例如，
850nm
，
1550nm)
，实现器件的多值特性
。
[0024]与电调相比，利用光脉冲对微环谐振腔结构进行测试，大大优化了测试结构
。
[0025]与波导光调制方法相比，利用三维空间光
(
裸光纤
)
调制方法对
GST
进行调制大大简化了调制光路，减小了调制难度，并能够实现多态，达到了光突触的多值要求
。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
微环相变突触器件，其特征在于，包括衬底
、
直波导和环形波导，所述环形波导位于直波导的一侧，所述环形波导与直波导之间具有耦合距离，在所述环形波导的至少一处覆盖有相变层，所述相变层的相变材料为
Ge2Sb2Te5，所述衬底的材料为
SiO2，所述直波导和环形波导的材料均为
Si。2.
根据权利要求1所述的微环相变突触器件，其特征在于，在所述环形波导覆盖有相变层的任一位置处的相变层的厚度相等
。3.
根据权利要求1或2所述的微环相变突触器件，其特征在于，所述环形波导
、
直波导均为脊形波导
。4.
根据权利要求3或所述的微环相变突触器件，其特征在于，所述微环与直波导之间的耦合距离为
100nm。5.
如权利要求1或2或4所述微环相变突触器件的三维空间光调制方法，其特征在于，包括：生成具有所需波形的空间光，所述所需波形为脉冲波形或者连续波形；空间光从上方照射到微环相变突触器件上，对微环相变突触器件中的相变层材料进行晶化状态与非晶化状态调制；生成测试光，直波导一端作为微环相变突触器件的输入端，直波导的另一端为微环相变突触器件的输出端，测试光从直波导输入端进入微环相变突触器件，从直波导输出端输出的光信号入射至光电探测器，光电探测器将光信号转化为电信号，再通过数据采集卡记录
。6.
根据权利要求5所述微环相变突触器件的三维空间光调制方法，其特征在于，所述空间光的波长为
850nm
或
1550nm
，所述测试光的波长范围为
1500nm
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙振源，宋兵，李清江，郝欣萌，徐晖，刘森，王伟，刘海军，曹荣荣，王义楠，陈长林，李智炜，刁节涛，王玺，于红旗，王琴，步凯，李楠，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：