[发明专利]一种光子神经元器件单元及光子神经计算器件

说明书

本发明属于光电子技术领域，具体为一种光子神经元器件单元及光子神经计算器件。本发明的光子神经元器件单元是由波导、神经元材料上、下组合形成的片上光子器件结构；光子神经元材料具有双向转变特性，在操作前为非晶态或晶态，当施加的光强超过阈值时，部分或全部材料会转变为熔融的液态，产生光吸收率/透过率变化，实现神经元功能；光子神经计算器件的结构包括：光子神经突触单元和光子神经元器件单元；光子神经突触单元对光信号进行调制，通过波导复用后传递到光子神经元器件单元；光子神经元器件单元通过波导直接与下一个神经突触单元相连接；以此类推，构建大规律神经计算网络。本发明可以以满足高速、低能耗的光子神经计算应用需求。

技术领域

本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种光子神经元器件单元及光子神经计算器件。

背景技术

大数据时代的数据增量呈现出指数型特征，对未来的计算效率以及计算能效都提出了更高的要求。目前的计算系统是基于冯诺依曼架构，计算-存储分离，数据频繁传输，极大的阻碍了计算效率的提升，同时存在能效墙等缺陷。相较于电子，光子具有低延迟、大带宽等优势，使得光子计算，特别是光子神经计算在发展高速、低能耗的计算系统中展现出极大的应用潜力。

光子神经计算可以细分为自由空间光子神经计算和片上光子神经计算，其中片上光子神经计算中光在波导中进行传输、计算，具有集成度高，能与传统电子芯片兼容等优势，备受广泛关注。光子神经计算器件的主要构成部件有三个，进行光传输的波导、负责存储和计算的神经突触单元，以及进行数据过滤的神经元单元。神经元单元是一种具有非线性响应的光子器件，为了满足高速光子计算应用的需求，需要满足响应速度≤10 ns，计算能耗≤0.01 pJ，可重复操作次数≥10⁶次。

现有的可用于神经元的非线性光响应器件有基于热光效应的波导器件、基于电光效应的LiNbO3器件，以及基于自由载流子色散效应的相变器件等几种类型。然而，热光效应器件的能耗高，响应速度慢；电光效应器件尺寸大，操作电压高；相变器件是非易失性的，需要频繁刷新，限制了高速、低能耗的光子神经计算器件发展。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的在于提供一种新型的光子神经元器件单元，以满足高速、低能耗的光子神经计算应用需求，同时提供了一种光子神经计算器件。

本发明提供的光子神经元器件单元，是由波导和神经元材料上、下组合形成的片上光子器件结构，利用神经元材料晶态-液态-晶态相变的转变机理，有别于上述的热光、电光以及相变器件。其中：

所述光子神经元材料由S、Se、Sb和Te中的一种元素所构成，也可以是其中至少两种元素的组合，其化学通式可表示为M_x（S_aSe_bSb_cTe_d）_1-x，其中，M为掺杂材料，且，0≤x≤0.5，优选0＜x≤0.5；a+b+c+d=1，0≤ a，b，c，d≤1；

所述光子神经元材料，具有双向转变特性，即对光的传输方向无选择性；

所诉光子神经元材料，在光强达到预设值时可实现瞬态的光吸收率/透过率，撤去光强后自发回到初始态；

所述光子神经元材料，在操作前为非晶态或晶态，当施加的光强超过阈值时，部分或全部材料会转变为熔融的液态，产生光吸收率/透过率变化，实现神经元功能；

所述光子神经元材料，在光强撤去后，液态材料会转变为最初结构态，实现自发的单元重置功能，即发生非晶态-液态-非晶态或者晶态-液态-晶态转变；

所述光子神经元的光响应时间小于500 ns；

所述光子神经元的可循环次数≥10⁶次。

所述光子神经元材料中，掺杂材料M可以是C、H、N、Al等非金属和金属元素，也可以是氧化物、氮化物等。