本發(fā)明涉及硅基光子存儲，具體涉及一種相變多態(tài)存儲與計算的全光波導器件與陣列。
背景技術(shù)：
1、基于硅基的光子器件應用領(lǐng)域廣泛，特別是在下一代計算架構(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)中的帶寬瓶頸問題。全光神經(jīng)網(wǎng)絡利用光的特性執(zhí)行神經(jīng)網(wǎng)絡中關(guān)鍵的矩陣運算，能夠極大加速人工智能(ai)工作負載，同時大幅降低功耗。
2、在硅光子平臺上集成相變存儲單元，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現(xiàn)全光多態(tài)存儲與神經(jīng)形態(tài)矩陣運算。然而，一方面，鍺銻碲的晶體相與非晶相均為半導體性，其開關(guān)比較小，因此其多態(tài)存儲密度難以提升，基于多邏輯態(tài)的矩陣計算規(guī)模難以進一步提升；另一方面，鍺銻碲的相變過程具有隨機性，導致其在多邏輯態(tài)的編程過程的一致性較差，因此在基于多邏輯態(tài)的矩陣計算中的精確度無法進一步提升，限制其應用。
技術(shù)實現(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)存儲與計算的全光波導器件與陣列，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，通過界面逐步非晶化的可控調(diào)節(jié)方式，驅(qū)動器件的透射率逐步變化，從而實現(xiàn)單個器件的多邏輯態(tài)存儲，并通過構(gòu)建硅光波導器件陣列實現(xiàn)其硅基全光波導的矩陣計算。
2、為了實現(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)存儲與計算的全光波導器件，包括襯底層和光波導層，所述光波導層包括覆蓋保護層、相變材料層、波導介質(zhì)層和淺刻蝕層，所述覆蓋保護層和相變材料層集成于波導介質(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非晶相為半導體特性，晶體相為金屬特性，基于相變材料inxsbytez的全光波導器件具有超過2.5db的開關(guān)比；
5、所述inxsbytez通過以整體為晶體相作為初始態(tài)，通過自界面開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，從而在單個器件中實現(xiàn)定量可控的多態(tài)存儲。
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，通過調(diào)整激光脈沖的功率與脈寬來調(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)對應器件的不同透射率，每個透射率對應一個可識別的邏輯態(tài)；可通過調(diào)整功率與脈寬的變化步長來調(diào)控器件中非晶相的體積變化幅度，進而調(diào)控相鄰邏輯態(tài)之間的透射率差異。
7、進一步的，激光脈沖信號的功率范圍為20mw至200mw，脈寬范圍為100fs至100ms；逐步非晶化所需的脈沖應根據(jù)器件情況設置功率與脈寬由小至大逐漸增加，步長根據(jù)所需可識別邏輯態(tài)數(shù)量進行調(diào)整，步長越小則透射率變化越小，單個器件中可識別的邏輯態(tài)數(shù)量越多。
8、所述相變材料為完全非晶相時對應器件的打開狀態(tài)，相變材料為完全晶體相時對應器件的關(guān)閉狀態(tài)，在相變材料為完全非晶相時可加載大功率激光脈沖信號或高溫退火操作，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；所述波導介質(zhì)層為硅波導或氮化硅波導，200nm≤厚度≤350nm；所述覆蓋保護層為氧化銦錫，厚度≥5nm。
10、所述相變多態(tài)存儲與計算的全光波導器件可使用脊形光波導器件、平面光波導器件和條形光波導器件中任意一種。
11、相變多態(tài)存儲與計算的全光波導器件為脊形光波導器件時，淺刻蝕層中間以及兩側(cè)為凸起結(jié)構(gòu)的波導介質(zhì)層，中間的波導介質(zhì)層上設置相變材料層和覆蓋保護層。一種相變多態(tài)存儲與計算的全光波導器件陣列，所述陣列用于進行光信號處理，進行矩陣向量乘法運算；
12、所述全光波導器件陣列由m×n個全光波導器件構(gòu)成，器件組成m列乘n行的可調(diào)光波導矩陣，每個器件的邏輯態(tài)作為矩陣中的一個權(quán)重，每個器件均可通過上述的多邏輯態(tài)可控可逆調(diào)控進行邏輯態(tài)重構(gòu)，重構(gòu)后每個器件可單獨寫入新的權(quán)重，在局部或整體區(qū)域構(gòu)建新的矩陣，進行新的計算求解。
13、通過自界面開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，在單器件中實現(xiàn)超過4bit連續(xù)邏輯態(tài)的穩(wěn)定識別。
14、本發(fā)明的有益效果：
15、本發(fā)明提出一種相變多態(tài)存儲與計算的全光波導器件，其中相變材料銦銻碲的非晶相為半導體特性，晶體相為金屬特性，兩者間相變?yōu)椤鞍雽w-金屬”轉(zhuǎn)變，具有比傳統(tǒng)相變材料“半導體-半導體”轉(zhuǎn)變更大的識別窗口，因此器件具有更大的開關(guān)比。
16、本發(fā)明提出一種相變多態(tài)存儲與計算的全光波導器件，通過設置激光脈沖的參數(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，從而在單個器件中實現(xiàn)可控的多邏輯態(tài)識別。
17、本發(fā)明提出一種相變多態(tài)存儲與計算的全光波導器件陣列，其中每個器件均具有大的開關(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)實際需求進行可變矩陣的調(diào)控；每個器件可進行重復擦寫，具備很強的可調(diào)性及信息處理能力。通過在陣列中輸入光信號，并根據(jù)每個器件的光損耗情況，設置輸入光信號，經(jīng)過矩陣后的輸出光信號即為運算結(jié)果。
1.一種相變多態(tài)存儲與計算的全光波導器件，其特征在于，包括襯底層(5)和光波導層，所述光波導層包括依次設置的覆蓋保護層(1)、相變材料層(2)、波導介質(zhì)層(3)和淺刻蝕層(4)，所述覆蓋保護層(1)和相變材料層(2)集成于波導介質(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)存儲與計算的全光波導器件，其特征在于，所述inxsbytez通過以整體為晶體相作為初始態(tài)，通過自界面開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，在單個器件中實現(xiàn)定量可控的多態(tài)存儲。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種相變多態(tài)存儲與計算的全光波導器件，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；
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種相變多態(tài)存儲與計算的全光波導器件，其特征在于，激光脈沖信號的功率范圍為20mw至200mw，脈寬范圍為100fs至100ms；逐步非晶化所需的脈沖應根據(jù)器件情況設置功率與脈寬由小至大逐漸增加，步長根據(jù)所需可識別邏輯態(tài)數(shù)量進行調(diào)整，步長越小則透射率變化越小，單個器件中可識別的邏輯態(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)存儲與計算的全光波導器件，其特征在于，所述相變材料為完全非晶相時對應器件的打開狀態(tài)，相變材料為完全晶體相時對應器件的關(guān)閉狀態(tài)，在相變材料為完全非晶相時可加載大功率激光脈沖信號或高溫退火操作，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)存儲與計算的全光波導器件，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；所述波導介質(zhì)層(3)為硅波導或氮化硅波導，200nm≤厚度≤350nm；所述覆蓋保護層(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)存儲與計算的全光波導器件，其特征在于，所述相變多態(tài)存儲與計算的全光波導器件可使用脊形光波導器件、平面光波導器件和條形光波導器件中任意一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種相變多態(tài)存儲與計算的全光波導器件，其特征在于，相變多態(tài)存儲與計算的全光波導器件為脊形光波導器件時，淺刻蝕層(4)中間以及兩側(cè)為凸起結(jié)構(gòu)的波導介質(zhì)層(3)，中間的波導介質(zhì)層(3)上設置相變材料層(2)和覆蓋保護層(1)。
9.一種相變多態(tài)存儲與計算的全光波導器件陣列，其特征在于，所述陣列用于進行光信號處理，進行矩陣向量乘法運算；
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種相變多態(tài)存儲與計算的全光波導器件陣列，其特征在于，通過自界面開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，在單器件中實現(xiàn)超過4bit連續(xù)邏輯態(tài)的穩(wěn)定識別。