[发明专利]基于拓扑光子晶体边界态拼接的片上光学神经网络及方法

权利要求书

1.一种基于拓扑光子晶体边界态拼接的片上光学神经网络，其特征在于，所述光学神经网络包括：拓扑光子晶体单元，拓扑光子晶体单元为拓扑非平凡晶体或者拓扑平凡晶体；多个边缘形状相同的拓扑光子晶体单元紧密排列形成拓扑光子晶体阵列，拓扑光子晶体阵列中拓扑非平凡晶体和拓扑平凡晶体交错排列，外边缘拼接在一起，拼接处产生边界态，光子在拼接处单向传输，从而在拼接处形成边界态通路，边界态通路包括横向边界态通路和纵向边界态通路；边界态通路传输的光子赝自旋方向锁定；对于赝自旋方向向上的光子，沿着传输方向，左侧是拓扑非平凡晶体，右侧是拓扑平凡晶体；对于赝自旋方向向下的光子，沿着传输方向，左侧是拓扑平凡晶体，右侧是拓扑非平凡晶体；具有特定的赝自旋方向的光子从一侧的横向边界态通路传输至阵列，传输至拓扑光子晶体单元拼接的交界处，分成两束光信号，分别向上和向下沿着纵向边界态通路传输，又至拓扑光子晶体单元拼接的交界处，分别沿着横向边界态通路传输，再至拓扑光子晶体单元拼接的交界处再次上下分束分别沿着纵向边界态通路传输，沿着向下和向上的纵向边界态通路传输的光信号合束，合束后继续沿着横向边界态通路向前传输；两束沿着两个横向边界态通路传播的光信号，经过纵向边界态通路各自上下分束后，合束时发生干涉汇入一个横向边界态通路上，这一过程构成一个神经元，所有这样的神经元连接成一个整体构成光学神经网络；赝自旋方向向上的光子，从左侧的横向边界态通路输入至光学神经网络并最终从光学神经网络的右侧输出，与从右侧的横向边界态通路输入至光学神经网络并最终从光学神经网络的左侧输出的赝自旋方向向下的光子，共用相同传输路径的光学神经网络；同理，赝自旋方向向下的光子，从左侧的横向边界态通路输入至光学神经网络最终从光学神经网络的右侧输出，与从右侧的横向边界态通路输入至光学神经网络并最终从光学神经网络的左侧输出的赝自旋方向向上的光子，共用相同传输路径的光学神经网络；并且，沿同一侧横向边界态通路输入至光学神经网络的赝自旋方向向上的光子与赝自旋方向向下的光子的传输路径错开；光信号在光学神经网络中传播的方式，包括分束和通过横向边界态通路的相位调制的两束光信号再通过干涉得到横向传输的合束光的方式与波导网络完全一致，边界态的产生是多个周期性排列的拓扑光子晶体单元产生的集体性效应，使得光学神经网络中个别拓扑光子晶体单元的损坏不会直接导致边界态性质发生显著改变。

2.如权利要求1所述的光学神经网络，其特征在于，包括热光调制器件对横向边界态通路进行热光调制，每一个热光调制器件包括热光材料和两个电极；在光学神经网络的每一条需要调节相位的横向边界态通路中拓扑非平凡晶体与拓扑平凡晶体的拼接处覆盖热光材料，在热光材料的上下两侧分别设置电极，两个电极分别位于拼接处的两侧，通过电极向热光材料施加电压，使得热光材料产生热效应，导致拓扑非平凡晶体与拓扑平凡晶体的材料引起载流子发生迁移，导致折射率发生变化，引起光信号的相位变化，相位经过热光调制之后的前一层的两个横向边界态通路上的光信号在向前传输至拓扑光子晶体单元拼接的交界处交汇合束，两束不同相位的光信号的干涉改变这一层横向边界态通路上的光强。

3.如权利要求2所述的光学神经网络，其特征在于，所述热光材料采用单层或多层石墨烯或新型相变材料Sb₂Se₃薄膜。

4.如权利要求3所述的光学神经网络，其特征在于，所述单层石墨烯覆盖长度为50μm～100μm，所对应的相位π调制的电压为1～2V。

5.如权利要求2所述的光学神经网络，其特征在于，还包括隔离层，所述隔离层设置在热光材料与拓扑光子晶体阵列之间。

6.如权利要求1所述的光学神经网络，其特征在于，所述拓扑平凡晶体和拓扑非平凡晶体为在背景材料上进行打孔形成，拓扑平凡晶体和拓扑非平凡晶体分别包括多个晶格之间紧密排列的基本结构晶胞，每一个基本结构晶胞的外边缘为正六边形，内部有六个旋转对称分布的正三角形的空气孔，整体结构具有C_6v对称性；在拓扑平凡晶体中，六个正三角形的中心与正六边形中心的距离小于二维拓扑光子晶体周期的1/3，对应平凡的拓扑态；在拓扑非平凡晶体中，六个正三角形的中心与正六边形中心的距离大于二维拓扑光子晶体周期的1/3，对应非平凡的拓扑态。