[发明专利]一种光学神经网络全光非线性激活层及其实现方法

权利要求书

1.一种基于Bi₂Te₃材料的光学神经网络全光非线性激活层，其特征在于，所述光学神经网络全光非线性激活层包括多个单元结构，每一个单元结构包括：波导结构、第一电控相移器、石墨烯异质增强的Bi₂Te₃非线性材料和第二电控相移器；其中，波导结构包括波导分束器、第一上支路波导、第一下支路波导、定向耦合器、第二上支路波导和第二下支路波导，通过波导分束器的输出端分成光强均等的两路支路波导，分别为第一上支路波导和第一下支路波导，第一上支路波导和第一下支路波导的末端耦合进入定向耦合器；定向耦合器的输出端分成两路支路波导，分别为第二上支路波导和第二下支路波导；在第一上支路波导上设置第一电控相移器；在第二上支路波导上覆盖单层石墨烯，在单层石墨烯上再沉积一层碲化铋Bi₂Te₃，实现了单层石墨烯-碲化铋的异质结构，从而得到石墨烯异质增强的Bi₂Te₃非线性材料；石墨烯异质增强的Bi₂Te₃非线性材料的异质结构中的载流子弛豫变得比碲化铋中的更快，并且能显著提高光吸收强度，有利于增强光非线性，提高调制深度；在第二下支路波导上设置第二电控相移器；第二上支路波导和第二下支路波导的末端合束；由此，整个单元结构构成一个马赫曾德干涉仪结构；将多个马赫曾德干涉仪结构的波导分束器的输入端分别与对应的线性计算单元波导的输出端相连，从而构成光学神经网络全光非线性激活层；

从波导分束器的输入端输入的光信号，通过波导分束器的输出端分为光强均等的两路，一路通过设置有第一电控相移器的第一上支路波导，一路通过第一下支路波导，通过调节第一电控相移器的电压在第一上支路波导中引入相位差，两路再经定向耦合器耦合，从而实现耦合之后的两路中任意光强的分束比；两路分别通过设置有石墨烯异质增强的Bi₂Te₃非线性材料的第二上支路波导和设置有第二电控相移器的第二下支路波导，通过调节第二电控相移器的电压，使得第二上支路波导的光信号与第二下支路波导的光信号具有相位差π，从而抵消掉碲化铋对光信号的线性吸收部分，由此放大碲化铋对光信号的非线性吸收部分，最终合束为一路后，即得到对光信号的非线性透过部分；将多个马赫曾德干涉仪结构的波导分束器的输入端与线性计算单元波导的输出端相连，作为非线性激活层使用，由此在片上光学神经网络中引入光学非线性计算。

2.如权利要求1所述的光学神经网络全光非线性激活层，其特征在于，所述波导结构的厚度为70～220nm，宽度为400～500nm。

3.如权利要求1所述的光学神经网络全光非线性激活层，其特征在于，所述波导分束器的输出端连接至第一上支路波导和第一下支路波导的部分分别由两段圆弧拼成，以降低转弯时所引入的弯曲损耗。

4.如权利要求1所述的光学神经网络全光非线性激活层，其特征在于，所述碲化铋的厚度为10～20nm，面积不小于2μm×2μm。

5.如权利要求1所述的光学神经网络全光非线性激活层，其特征在于，所述波导结构是在绝缘衬底上沉积波导材料，再刻蚀波导材料形成的脊形波导或狭缝波导；刻蚀掉绝缘衬底上波导材料的其他部分，保留下来的部分形成脊形波导；或者，刻蚀绝缘衬底上波导材料，被刻蚀的部分形成狭缝波导。

6.如权利要求5所述的光学神经网络全光非线性激活层，其特征在于，所述波导材料采用与互补金属氧化物半导体工艺相兼容的通讯波段低损耗半导体材料。