本發(fā)明涉及硅基光子存儲(chǔ)，具體涉及一種相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件與陣列。
背景技術(shù)：
1、基于硅基的光子器件應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，特別是在下一代計(jì)算架構(gòu)中，硅光子技術(shù)可以顯著提高處理器、內(nèi)存和存儲(chǔ)單元之間的數(shù)據(jù)傳輸速率，解決傳統(tǒng)電子架構(gòu)中的帶寬瓶頸問(wèn)題。全光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用光的特性執(zhí)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵的矩陣運(yùn)算，能夠極大加速人工智能(ai)工作負(fù)載，同時(shí)大幅降低功耗。
2、在硅光子平臺(tái)上集成相變存儲(chǔ)單元，例如鍺銻碲ge2sb2te5(gst)，基于其晶體相與非晶相較大透射率變化可實(shí)現(xiàn)全光多態(tài)存儲(chǔ)與神經(jīng)形態(tài)矩陣運(yùn)算。然而，一方面，鍺銻碲的晶體相與非晶相均為半導(dǎo)體性，其開(kāi)關(guān)比較小，因此其多態(tài)存儲(chǔ)密度難以提升，基于多邏輯態(tài)的矩陣計(jì)算規(guī)模難以進(jìn)一步提升；另一方面，鍺銻碲的相變過(guò)程具有隨機(jī)性，導(dǎo)致其在多邏輯態(tài)的編程過(guò)程的一致性較差，因此在基于多邏輯態(tài)的矩陣計(jì)算中的精確度無(wú)法進(jìn)一步提升，限制其應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提供一種相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件與陣列，利用相變材料銦銻碲的非晶相與晶體相在光通信波段具有顯著的透射率差異，通過(guò)界面逐步非晶化的可控調(diào)節(jié)方式，驅(qū)動(dòng)器件的透射率逐步變化，從而實(shí)現(xiàn)單個(gè)器件的多邏輯態(tài)存儲(chǔ)，并通過(guò)構(gòu)建硅光波導(dǎo)器件陣列實(shí)現(xiàn)其硅基全光波導(dǎo)的矩陣計(jì)算。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
3、一種相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件，包括襯底層和光波導(dǎo)層，所述光波導(dǎo)層包括覆蓋保護(hù)層、相變材料層、波導(dǎo)介質(zhì)層和淺刻蝕層，所述覆蓋保護(hù)層和相變材料層集成于波導(dǎo)介質(zhì)層中央上方，所述淺刻蝕層位于襯底層上；
4、所述相變材料層的相變材料為inxsbytez，其中45≤x≤55，15≤y≤20，30≤z≤35，且x+y+z＝100；所述相變材料inxsbytez非晶相為半導(dǎo)體特性，晶體相為金屬特性，基于相變材料inxsbytez的全光波導(dǎo)器件具有超過(guò)2.5db的開(kāi)關(guān)比；
5、所述inxsbytez通過(guò)以整體為晶體相作為初始態(tài)，通過(guò)自界面開(kāi)始逐步非晶化的方式調(diào)整器件中晶體相與非晶相體積比例，使器件透射率發(fā)生定量可控的連續(xù)逐步變化，從而在單個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)定量可控的多態(tài)存儲(chǔ)。
6、所述相變材料層發(fā)生界面逐步非晶化相變的方法為加載激光脈沖信號(hào)，通過(guò)調(diào)整激光脈沖的功率與脈寬來(lái)調(diào)控相變材料的非晶化程度，不同的非晶化程度(晶體相與非晶相體積比例)對(duì)應(yīng)器件的不同透射率，每個(gè)透射率對(duì)應(yīng)一個(gè)可識(shí)別的邏輯態(tài)；可通過(guò)調(diào)整功率與脈寬的變化步長(zhǎng)來(lái)調(diào)控器件中非晶相的體積變化幅度，進(jìn)而調(diào)控相鄰邏輯態(tài)之間的透射率差異。
7、進(jìn)一步的，激光脈沖信號(hào)的功率范圍為20mw至200mw，脈寬范圍為100fs至100ms；逐步非晶化所需的脈沖應(yīng)根據(jù)器件情況設(shè)置功率與脈寬由小至大逐漸增加，步長(zhǎng)根據(jù)所需可識(shí)別邏輯態(tài)數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，步長(zhǎng)越小則透射率變化越小，單個(gè)器件中可識(shí)別的邏輯態(tài)數(shù)量越多。
8、所述相變材料為完全非晶相時(shí)對(duì)應(yīng)器件的打開(kāi)狀態(tài)，相變材料為完全晶體相時(shí)對(duì)應(yīng)器件的關(guān)閉狀態(tài)，在相變材料為完全非晶相時(shí)可加載大功率激光脈沖信號(hào)或高溫退火操作，使相變材料發(fā)生完全結(jié)晶化，切換為關(guān)閉狀態(tài)。
9、所述底部襯底層為二氧化硅，厚度≥50nm；所述淺刻蝕層4為硅，100nm≤厚度≤200nm；所述波導(dǎo)介質(zhì)層為硅波導(dǎo)或氮化硅波導(dǎo)，200nm≤厚度≤350nm；所述覆蓋保護(hù)層為氧化銦錫，厚度≥5nm。
10、所述相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件可使用脊形光波導(dǎo)器件、平面光波導(dǎo)器件和條形光波導(dǎo)器件中任意一種。
11、相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件為脊形光波導(dǎo)器件時(shí)，淺刻蝕層中間以及兩側(cè)為凸起結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)介質(zhì)層，中間的波導(dǎo)介質(zhì)層上設(shè)置相變材料層和覆蓋保護(hù)層。一種相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件陣列，所述陣列用于進(jìn)行光信號(hào)處理，進(jìn)行矩陣向量乘法運(yùn)算；
12、所述全光波導(dǎo)器件陣列由m×n個(gè)全光波導(dǎo)器件構(gòu)成，器件組成m列乘n行的可調(diào)光波導(dǎo)矩陣，每個(gè)器件的邏輯態(tài)作為矩陣中的一個(gè)權(quán)重，每個(gè)器件均可通過(guò)上述的多邏輯態(tài)可控可逆調(diào)控進(jìn)行邏輯態(tài)重構(gòu)，重構(gòu)后每個(gè)器件可單獨(dú)寫入新的權(quán)重，在局部或整體區(qū)域構(gòu)建新的矩陣，進(jìn)行新的計(jì)算求解。
13、通過(guò)自界面開(kāi)始逐步相變的方式調(diào)整器件中晶體相與非晶相體積比例，使器件透射率發(fā)生定量可控的連續(xù)逐步變化，在單器件中實(shí)現(xiàn)超過(guò)4bit連續(xù)邏輯態(tài)的穩(wěn)定識(shí)別。
14、本發(fā)明的有益效果：
15、本發(fā)明提出一種相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件，其中相變材料銦銻碲的非晶相為半導(dǎo)體特性，晶體相為金屬特性，兩者間相變?yōu)椤鞍雽?dǎo)體-金屬”轉(zhuǎn)變，具有比傳統(tǒng)相變材料“半導(dǎo)體-半導(dǎo)體”轉(zhuǎn)變更大的識(shí)別窗口，因此器件具有更大的開(kāi)關(guān)比。
16、本發(fā)明提出一種相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件，通過(guò)設(shè)置激光脈沖的參數(shù)可調(diào)控相變材料銦銻碲沿著界面發(fā)生逐步非晶化，從而定量可控的調(diào)整相變材料層的非晶相與晶體相體積比例；在該條件下，器件的透射率發(fā)生連續(xù)可控的逐步變化，從而在單個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)可控的多邏輯態(tài)識(shí)別。
17、本發(fā)明提出一種相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件陣列，其中每個(gè)器件均具有大的開(kāi)關(guān)比與連續(xù)定量可調(diào)的邏輯態(tài)，因此既可以構(gòu)建特定矩陣的專用陣列，也可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行可變矩陣的調(diào)控；每個(gè)器件可進(jìn)行重復(fù)擦寫，具備很強(qiáng)的可調(diào)性及信息處理能力。通過(guò)在陣列中輸入光信號(hào)，并根據(jù)每個(gè)器件的光損耗情況，設(shè)置輸入光信號(hào)，經(jīng)過(guò)矩陣后的輸出光信號(hào)即為運(yùn)算結(jié)果。
1.一種相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件，其特征在于，包括襯底層(5)和光波導(dǎo)層，所述光波導(dǎo)層包括依次設(shè)置的覆蓋保護(hù)層(1)、相變材料層(2)、波導(dǎo)介質(zhì)層(3)和淺刻蝕層(4)，所述覆蓋保護(hù)層(1)和相變材料層(2)集成于波導(dǎo)介質(zhì)層(3)中央上方，所述淺刻蝕層(4)位于襯底層(5)上；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件，其特征在于，所述inxsbytez通過(guò)以整體為晶體相作為初始態(tài)，通過(guò)自界面開(kāi)始逐步非晶化的方式調(diào)整器件中晶體相與非晶相體積比例，使器件透射率發(fā)生定量可控的連續(xù)逐步變化，在單個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)定量可控的多態(tài)存儲(chǔ)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件，其特征在于，所述相變材料層(2)發(fā)生界面逐步非晶化相變的方法為加載激光脈沖信號(hào)；
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件，其特征在于，激光脈沖信號(hào)的功率范圍為20mw至200mw，脈寬范圍為100fs至100ms；逐步非晶化所需的脈沖應(yīng)根據(jù)器件情況設(shè)置功率與脈寬由小至大逐漸增加，步長(zhǎng)根據(jù)所需可識(shí)別邏輯態(tài)數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，步長(zhǎng)越小則透射率變化越小，單個(gè)器件中可識(shí)別的邏輯態(tài)數(shù)量越多。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件，其特征在于，所述相變材料為完全非晶相時(shí)對(duì)應(yīng)器件的打開(kāi)狀態(tài)，相變材料為完全晶體相時(shí)對(duì)應(yīng)器件的關(guān)閉狀態(tài)，在相變材料為完全非晶相時(shí)可加載大功率激光脈沖信號(hào)或高溫退火操作，使相變材料發(fā)生完全結(jié)晶化，切換為關(guān)閉狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件，其特征在于，所述底部襯底層(5)為二氧化硅，厚度≥50nm；所述淺刻蝕層(4)為硅，100nm≤厚度≤200nm；所述波導(dǎo)介質(zhì)層(3)為硅波導(dǎo)或氮化硅波導(dǎo)，200nm≤厚度≤350nm；所述覆蓋保護(hù)層(1)為氧化銦錫，厚度≥5nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件，其特征在于，所述相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件可使用脊形光波導(dǎo)器件、平面光波導(dǎo)器件和條形光波導(dǎo)器件中任意一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件，其特征在于，相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件為脊形光波導(dǎo)器件時(shí)，淺刻蝕層(4)中間以及兩側(cè)為凸起結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)介質(zhì)層(3)，中間的波導(dǎo)介質(zhì)層(3)上設(shè)置相變材料層(2)和覆蓋保護(hù)層(1)。
9.一種相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件陣列，其特征在于，所述陣列用于進(jìn)行光信號(hào)處理，進(jìn)行矩陣向量乘法運(yùn)算；
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種相變多態(tài)存儲(chǔ)與計(jì)算的全光波導(dǎo)器件陣列，其特征在于，通過(guò)自界面開(kāi)始逐步相變的方式調(diào)整器件中晶體相與非晶相體積比例，使器件透射率發(fā)生定量可控的連續(xù)逐步變化，在單器件中實(shí)現(xiàn)超過(guò)4bit連續(xù)邏輯態(tài)的穩(wěn)定識(shí)別。