一种基于相变材料的非易失多级可调光子神经突触器件

1.本发明属于光计算领域，更具体地，涉及一种基于相变材料的非易失多级可调光子神经突触器件。


背景技术：

2.近50年来，半导体工艺逐渐成熟，从最初的180nm制程工艺到现在的5nm的先进工艺，以及现在正在研发的3nm工艺，使得集成电路工艺迅速发展，电学计算系统性能飞速提升，但受限于加工精度的严格要求，这种状态无法一直发展下去，随着晶体管的尺寸逐渐减小，芯片的功耗和散热等问题逐渐显露，因此传统电学计算系统无法持续满足高速、低能耗、大规模通信的需求。为了解决这一问题，研究人员提出了高性能的光信号处理系统，例如基于神经形态计算网络架构的光学处理芯片。通常，神经形态计算网络大约由10
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个人工神经元组成，每个人工神经元都基于一个可调光开关进行权重的调整。因此，单个光开关的能力将极大地影响光学神经形态网络的计算效率和能耗。调制速度和能耗是光开关的两个关键评价指标，然而，目前的光开关主要依赖于具有微弱、易挥发的热光或电光调制效应的材料，导致调制速度慢、能耗高、占用空间大，从而限制了光学神经形态计算网络的发展。
3.硫系化合物相变材料ge2sb2te5(gst)在共价键合非晶态(a_gst)和共振键合晶态(c_gst)之间具有优异的光学对比度，已在可重构光子器件中得到了广泛应用，例如光开关、光路由器和超表面。基于相变材料的光开关不需要静态电源即可保持开关状态并且具有亚纳秒级别的调制速度，被认为是设计光学神经形态网络的理想单元器件。而gst由于其成熟的加工技术更是被广泛用于设计可重构光开关。然而，当gst薄膜直接溅射在硅脊波导顶部时，由于波导模式和相变材料之间的弱相互作用，gst处于不同相态时光开关的光输出强度变化很小。因此，研究人员设计了不同的波导结构，例如马赫-曾德(mz)开关和环形耦合器开关，利用干涉效应和耦合器效应的这些结构的光输出强度对相变材料的相位状态更敏感，进而可以增强gst相态的变化对光开关输出强度的影响。但它们的器件尺寸很大，严重阻碍了光学神经形态网络的大规模集成。为了解决这个问题，一些报告提出通过设计特殊的波导结构，如槽脊波导和表面等离子体波导，以增强波导和相变材料之间的相互作用效果。但是gst为a_gst和c_gst状态时，所设计的光开关的输出强度差异约为40％，较小的输出强度调制范围不利于设计多级可调光开关，限制了光子神经形态计算网络的计算精度。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于相变材料的非易失多级可调光子神经突触器件，旨在解决光子神经突触归一化输出强度范围太小的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种于相变材料的非易失多级可调光子神经突触器件，包括衬底、平板层波导、周期性槽脊波导、相变薄膜；所述平板层波导覆盖整个衬底区域，周期性槽脊波导周期分布在平板层波导上侧，所述相变薄膜覆盖在所述平板层波导以
及周期性槽脊波导表面；所述周期性槽脊波导包括沿光束传播方向周期分布的波导单元，每个波导单元包括两个相同的脊型波导以及两者之间的狭缝结构；所述光子神经突触器件中平板层波导以及周期性槽脊型波导的截面几何参数用于调控入射光的传输模式的有效模式折射率；所述周期性槽脊型波导的周期以及占空比用于调控入射光的传输模式与周期性结构之间的耦合效率，所述周期性槽脊型波导的周期还用于控制器件的调制长度；通过优化以上参数，实现对光子神经突触输出强度的调控。
6.激光器输出的光经过耦合波导后进入光子神经突触器件内传输，不同的平板层波导以及周期性槽脊型波导的截面几何参数将影响光子神经突触内传输模式的有效模式折射率，其中传输模式的有效折射率的虚部将影响该模式在光子神经突触中的传输损耗。通过调节相变薄膜的相态(晶态，非晶态)，改变光子神经突触内传播模式的有效折射率，当相变薄膜为非晶态时，模式能量主要集中在硅波导区域内，当相变薄膜为晶态时，部分模式能量耦合进入相变薄膜内，进而造成更大的光学损耗，达到调控光子神经突触输出强度的效果。
7.进一步地，当相变薄膜为不同相态时光子神经突触内模式的有效折射率虚部差值越大，则相变薄膜对光子神经突触输出强度的调控范围就越大，同时周期性槽脊型波导的周期以及占空比也将影响光子神经突触的输出强度。光场在光子神经突触中传输时，周期性槽脊型波导的周期以及占空比将影响不同模式与光子神经突触的耦合效率，当相变薄膜为非晶态时，较多的光场能量可以在波导内稳定传输；当相变薄膜为非晶态时，大多数的光场能量需要在传输过程中被损耗，以此实现调控光子神经突触输出强度的目的。
8.进一步地，通过优化平板层波导以及周期性槽脊波导的截面几何参数(高度、宽度、周期以及占空比)，使得一种基于相变材料的非易失多级可调光子神经突触器件在相变薄膜为不同相态时实现最大的光学输出强度调控范围。作为优选地，一种基于相变材料的非易失多级可调光子神经突触器件的初始截面几何参数为：平板层波导高度(h
slab
)为100nm，周期性槽脊型波导的高度为240nm，周期性槽脊型波导的硅波导宽度(w
si
)为300nm，周期性槽脊型波导的槽宽度(w
slot
)为100nm，周期性槽脊型波导的周期(period)为200nm占空比(h)为50％。
9.进一步地，所述相变薄膜(4)的材料为硫系相变材料ge2sb2te5(gst)。
10.进一步地，所述的一种基于相变材料的非易失多级可调光子神经突触器件可以在340nm高度的silicon-on-insulator(soi)平台或者其他高度半导体平台上加工。
11.进一步地，所述的平板层波导以及周期性槽脊型波导可以是硅波导或者其他低损耗波导。
12.进一步地，所述的相变薄膜的选择应尽可能的增强光场与相变薄膜之间的相互作用。
13.进一步地，所述相变薄膜还分布在平板层波导表面。
14.进一步地，所述的周期性槽脊型波导的周期可以是定周期也可以是多周期混合。
15.进一步地，所述的相变薄膜覆盖在平板层波导以及周期性槽脊型波导上，其中平板层波导上覆盖的相变薄膜4的厚度大于等于0。
16.进一步地，所述定周期或者多周期混合的周期性槽脊型波导的包层可以是空气，也可以是其他材料，例如二氧化硅。
17.进一步地，所述相变薄膜上方覆有防氧化层，例如贵金属金或者ito材料，以防止相变材料的氧化变性。
18.进一步地，所述周期性槽脊波导以及相变薄膜的截面几何参数在传播方向上为固定不变或者缓慢变化。
19.通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明提出了一种基于相变材料的非易失多级可调光子神经突触器件，通过在硅平台上设计周期性槽脊波导，实现了基于相变材料的非易失性多级可调光开关。本发明所设计的波导截面类似于槽脊波导，它可以增强光场和相变材料之间的耦合效应。同时，在光波导传输方向上设计了周期性结构，以增加相变薄膜为不同相态时光开关的的输出强度差。本发明提供了一种非易失多级可调光子神经突触器件，将在未来的光学神经网络设计以及光计算、光通信中具有十分重要的意义与价值。
附图说明
20.图1是一种基于相变材料的非易失多级可调光子神经突触器件的三维示意图和二维截面示意图。
21.图2是截面几何参数优化之后的光子神经突触电场分布仿真结果图，(a)、(b)分别代表相变薄膜4为非晶态和晶态情况下的电场分布。
22.图3是截面几何参数优化之后的光子神经突触传输电场分布情况仿真结果图，(a)、(b)分别代表相变薄膜4为非晶态和晶态的传输电场分布情况。
23.图4是一种基于相变材料的非易失多级可调光子神经突触器件得到的仿真结果图，(a)、(b)分别代表相变薄膜4为非晶态和晶态的归一化电场分布。
24.图5是一种基于相变材料的非易失多级可调光子神经突触器件得到的仿真结果图，(a)、(b)分别代表相变薄膜4为非晶态和晶态的传输电场分布情况。
25.图6是周期性槽脊型波导3的硅波导宽度与光学输出强度差值之间的关系曲线图。
26.图7是平板层波导2的高度与光学输出强度差值之间的关系曲线图。
27.图8是周期性槽脊型波导3的槽宽度与光学输出强度差值之间的关系曲线图。
28.图9是周期性槽脊型波导3的周期与光学输出强度差值之间的关系曲线图。
29.图10是周期性槽脊型波导3的占空比与光学输出强度差值之间的关系曲线图。
30.图11是周期性槽脊型波导3的周期数与光学输出强度差值之间的关系曲线图。
31.图12多级可调光子神经突触器件输出强度分级调控柱形图。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
33.本发明提供了一种于相变材料的非易失多级可调光子神经突触器件，包括衬底1、平板层波导2、周期性槽脊波导3、相变薄膜4；平板层波导2覆盖整个衬底1区域，周期性槽脊波导3周期分布在平板层波导2上侧，相变薄膜4覆盖在平板层波导2以及周期性槽脊波导3
表面；周期性槽脊波导3包括沿光束传播方向周期分布的波导单元，每个波导单元包括两个相同的脊型波导以及两者之间的狭缝结构。
34.下面以周期性槽脊型波导3的硅波导宽度为140nm、平板层波导2的高度为130nm、周期性槽脊型波导3槽宽度为100nm、周期性槽脊型波导3的周期为200nm时，周期性槽脊型波导3的占空比为50％、周期数为30，作为一种基于相变材料的非易失多级可调光子神经突触器件的初始截面几何参数，相变薄膜选取硫系化合物相变材料ge2sb2te5(gst)。此时当相变薄膜4为不同相态(晶态、非晶态)时，光学输出强度差值异为70.7％。
35.实施例
36.如图1所示，本实施例的多级可调光子神经突触包括衬底1、平板层波导2、周期性槽脊波导3、相变薄膜4；激光器输出的光经过耦合波导后进入光子神经突触器件内传输，不同的平板层波导2以及周期性槽脊型波导3的截面几何参数将影响波导内传输模式的有效模式折射率，通过改变具体参数实现对波导输出强度的调控，周期性槽脊型波导3的周期以及占空比也将影响波导输出强度；光场在波导中传输时，部分能量将耦合进入相变薄膜4中，通过改变相变薄膜4的相态(晶态，非晶态)，实现对波导输出强度的调控。在初始截面几何参数情况下，相变薄膜4为非晶态和晶态的归一化电场分布如图2所示，传输电场分布情况如图3所示。
37.对于传统脊型波导而言，相变薄膜改变相态所引起的模式能量分布变化并不明显，本发明所提出的一种基于相变材料的非易失多级可调光子神经突触器件则可以实现显著的模式能量分布改变，如图4所示。
38.相比于传统的连续型波导结构，本发明所提出的一种基于相变材料的非易失多级可调光子神经突触器件当在相变材料为不同相态的情况下所述光子神经突触具有更大的输出强度差，具体结果如图5所示。
39.具体地，改变周期性槽脊型波导3的硅波导宽度来观察相变薄膜4处于不同相态时光学输出强度差值的变化。周期性槽脊型波导3的硅波导宽度与光学输出强度差值的关系如图6所示。可以发现，当gst处于非晶态和晶态时，周期性槽脊波导的光输出强度随着周期性槽脊型波导3的硅波导宽度的增加而缓慢下降。并且在140nm处的光学输出强度差值达到最大值，为67.6％。整个调制范围内光学输出强度差值逐渐减小趋势的原因是，当周期性槽脊型波导3的硅波导宽度值较小时，模场不能稳定存在于槽脊区域，而是存在于平板层波导2中，从而降低了光场与相变薄膜4之间的相互作用，因此gst材料造成的传输损耗会降低。此外可以发现，在光学输出强度差值逐渐减小的过程中，也伴随着局部的增加。这是因为波导内传输模式的有效折射率的实部也在逐渐变化，电场与周期性槽脊型波导3之间的耦合效率在增加硅波导宽度的过程中也呈现出周期性变化。
40.具体地，将周期性槽脊型波导3的硅波导宽度设置为140nm，改变平板层波导2的高度来观察相变薄膜4处于不同相态时光学输出强度差值的变化。需要注意的时，平板层波导2与周期性槽脊型波导3的高度之和始终为340nm。平板层波导2的高度与光学输出强度差值的关系如图7所示。当平板层波导2的高度小于60nm时，无论gst处于agst状态还是cgst状态，周期性槽脊波导的光输出强度都非常低。这是因为平板层波导2的高度小于60nm的波导在周期性槽脊型波导3的硅波导宽度为140nm的前提下无法限制电场，导致相应的波导模式具有较大的模式损耗。当平板层波导2的高度增加使波导可以限制电场时，当gst处于a gst
状态或c gst状态时，周期性槽脊波导的光输出强度将逐渐增加。平板层波导2高度的增加使得更多的光场能分布在平板层中，减少了光场与gst的相互作用，从而降低了gst材料损耗引起的传输损耗。最后，周期性槽脊型波导3的硅波导宽度为140nm、平板层波导2的高度为130nm时，光学输出强度差值达到最大值，为70.7％。
41.具体地，当gst处于不同相态时，周期性槽脊波导的光学输出强度会随着周期性槽脊型波导3槽宽度的增加而逐渐减小。当周期性槽脊型波导3的硅波导宽度为140nm、平板层波导2的高度为130nm、周期性槽脊型波导3槽宽度为100nm时，光学输出强度差值达到最大值，为70.7％。如图8所示。
42.具体地，由于周期性槽脊波导的输出强度与亚波长光栅的周期有关，因此调整周期性槽脊型波导3的周期也可以显着影响gst处于不同相态时的光学输出强度差值，如图9所示。随着周期的增加当gst处于a gst状态时，周期性槽脊波导的光学输出强度差值先下降后上升。这是因为波导中传播模式的有效折射率是在确定周期性槽脊型波导3的硅波导宽度、平板层波导2的高度和周期性槽脊型波导3槽宽度的值之后确定的。当波导中传播模式的有效折射率实部与光栅周期的关系满足布拉格反射条件时，可以通过周期性槽脊波导的光能量很少。图9中的另一个细节也可以支持这一点。当相变薄膜4的相态为非晶态时，周期性槽脊波导的光学输出强度应该大于相变薄膜4的相态为晶态时波导的光学输出强度，因为cgst的光损耗远大于agst。然而，当gst处于不同相态时周期性槽脊波导的光学输出强度差值在周期为310nm时为负值。这正是因为当相变材料为a gst时，波导内传播模式的有效折射率的实部与光栅周期的关系满足布拉格反射条件，导致光学输出强度显著降低。最终使得当周期性槽脊型波导3的硅波导宽度为140nm、平板层波导2的高度为130nm、周期性槽脊型波导3槽宽度为100nm、周期性槽脊型波导3的周期为200nm时，光学输出强度差值达到最大值，为70.7％。
43.具体地，改变周期性槽脊型波导3的占空比会影响光栅的平均折射率，进而影响波导内传播模式与周期性槽脊型波导3之间的耦合效率。因此，可以在图10中看到，当gst处于不同相态时，周期性槽脊波导的光输出强度差异有一个波峰。当周期性槽脊型波导3的硅波导宽度为140nm、平板层波导2的高度为130nm、周期性槽脊型波导3槽宽度为100nm、周期性槽脊型波导3的周期为200nm时，周期性槽脊型波导3的占空比为50％时，输出强度差异达到最大值，即70.7％。
44.具体地，图11显示了周期数(period numbers)对周期性槽脊波导光输出强度的影响。由于光开关具有一定的传输损耗，随着传输距离的增加，当gst处于非晶态和晶态时，周期性槽脊波导的光透过率会逐渐降低。然而，当gst处于非晶态和晶态时，周期性槽脊波导中传播的模式具有不同的传输损耗，因此当gst处于不同相态时，swgst波导的光输出强度下降的速率也不同。从图11可以看出，当周期性槽脊型波导3的硅波导宽度为140nm、平板层波导2的高度为130nm、周期性槽脊型波导3槽宽度为100nm、周期性槽脊型波导3的周期为200nm时，周期性槽脊型波导3的占空比为50％、周期数为30时，输出强度差异达到最大值，为70.7％，几乎是现有结构的两倍，适合于实际应用中多级可调的非易失光开关设计。
45.在多级可调光开关中，通过改变相变薄膜4的结晶程度可以改变相变薄膜4的光学折射率，其中结晶程度与光学折射率之间的关系满足：
[0046][0047]
其中p代表结晶程度，ea和ec分别代表相变薄膜4为非晶态和晶态时的介电常数，作为优选，本发明中所使用的相变材料为gst，其晶态和非晶态的折射率分别为4.6 0.18i和7.2 1.9i。仿真结果表明多级可调光开关可以将光输出强度控制在65个不同的级别，大约对应于6位编程分辨率，如图12所示。本发明所提出的一种基于相变材料的非易失多级可调光子神经突触器件具有更大的光学输出强度调控范围，在相邻调控等级输出强度差保证在1％的基础上，本发明可以实现64级(6-bit)编码，是其他输出强度调控型非易失光开关的两倍。
[0048]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。