一种基于硅基微腔的类神经元光脉冲输出系统的制作方法

本发明涉及类脑计算技术领域，具体涉及一种基于硅基微腔的类神经元光脉冲输出系统。

背景技术：

随着人工智能的飞速发展，大数据时代的到来，数据的处理和计算量每年都呈现出指数式的增加，对计算机的计算要求日益增强，使得按照冯·诺依曼原理工作的计算机在很多方面都无法满足计算的需求。今年来研究发现，人类的大脑具有非常强的智能处理能力，远远的超过了现在计算速度最快的计算机。受到人类大脑的启发，人们开始将目光转向人工神经元的研究。基于硅基微腔的类神经元光脉冲智能芯片具有低能耗，体积小、集成度高的特点。在提高了数据处理效率同时降低功耗，节约成本。

人工神经元是将生物神经元的生物模型转化为数学模型。人工神经元的处理单元的工作原理是对每个输入信号进行加权处理确定其强度，对所有的输入信号求和确定组合效果，通过激励函数确定其输出。21世纪以来，以人工神经元技术在各个领域都有着快速的发展，使得人工神经元越来越受到人们的重视。人工神经元的飞速发展也使得人工智能领域的有了更广阔的应用空间。谷歌团队开发了alphago，它是以深度学习和蒙特卡搜索算法为基础的人工智能，在2017年5月21日的乌镇围棋峰会上，打败了世界第一棋手柯洁。近年来，关于人工神经元的研究取得了突破性的进展，由牛津大学、明斯特大学、埃克塞特大学组成的研究团队研制了一种人工神经元芯片，在光的作用下，该芯片可以模拟生物神经元和突触。英国巴斯大学设计出了一种人工神经元芯片，该神经元芯片可以再现出生物神经元的一系列行为。人工神经元在经过几十年的研究与发展，渗透在各个领域，它也表现出了巨大的潜力，未来在人脸识别、声音识别、医疗、农业等领域都将会有巨大的发展空间。

技术实现要素：

本发明的发明目的是：将硅基技术与神经元技术结合，模拟生物神经元响应行为，实现类神经元的光脉冲的产生的基于硅基微腔的类神经元光脉冲输出方案。

本发明提供一种基于硅基微腔的类神经元光脉冲输出系统，包括，激光光源，光隔离器，偏振光片，硅光机械微腔，光电二极管，高速示波器，光谱分析仪；

所述激光光源与光隔离器第一端连接；

所述光隔离器第二端与所述偏正光片第一端连接；

所述偏正光片第二端与所述硅光机械微腔第一端连接；

所述硅光机械微腔第二端与所述光谱分析仪连接；

所述硅光机械微腔第二端与光电二极管正极连接；

光电二极管负极分别与高速示波器，和光谱分析仪连接。

进一步的，

所述光隔离器用于防止外界干扰光的扰动；

所述偏振控制器用于得到线偏振光；

所述硅基光子微腔芯片用于通过载流子自发极限环振荡和光机械振荡的耦合输出光脉冲；所述光电二极管用于将光信号转化为电信号；

所述高速示波器和光谱分析仪用于对波形进行分析。

进一步的，

所述硅光机械微腔的硅基材料周期性的布置微小圆孔得到工作在c波段的光子晶体结构，并形成光学能带结构。

进一步的，所述硅光机械微腔中心区域分别设置5nm和10nm和15nm的微小孔位移使硅光机械微腔中心区域形成光子晶体局域缺陷。

进一步的，所述光机械晶体在绝缘体的硅晶圆制作包括以下步骤：

采用250nm厚的硅膜上进行反应性离子刻蚀，狭缝的宽度控制为临界80纳米宽度；

采用抗蚀剂的图案化轮廓约为185nm缝隙线宽，然后转化成倾斜的氧化物蚀刻，得到底部为80nm氧化物间隙。

进一步的，所述硅光机械微腔的硅基材料晶格常数为500nm，孔半径和晶格常数之间的差为0.34。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供类神经元spiking(脉冲)的光脉冲输出装置，脉冲时间尺度在纳秒范围，比生物神经元的毫秒量级时间尺度，速度快了接近一百万倍度。

2.在与传统的光神经元方案相比，本光微腔的尺寸达到了10微米左右，在集成度方面提升明显，可以应用在高密度的超快信息处理网络中。

3.本发明是在硅基材料上实现的类神经元脉冲输出，因为硅材料与cmos工艺的天然兼容性，方案在可扩展性，可集成性方面的具有很好的优势。

4本发明将硅和光子神经元进行结合，提供一种基于硅的类神经元光脉冲spiking产生方案，本发明基于光信号处理，脉冲宽度约4纳秒范围，比毫秒量级的生物神经元脉冲快了百万倍的速度。本发明基于硅材料的可集成光神经元具有超高速，大带宽、低功耗等天然优势，优于电神经拟态硬件系统，可以在未来实现超快速低功耗的计算任务。

附图说明

图1为硅基光子微腔芯片结构图，

图2为类神经元光脉冲输出整体系统方案图

图3为根据本发明得到的激光通过系统输出的光脉冲时域测试结果图.

图4为实验获得典型的单spiking测试结果。

图5为实验接连产生的两个spiking测试结果。

具体实施方式

针对传统神经元信息处理速度慢等的局限性，有研究组提出在神经拟态计算中引入将光学处理机制的方式。由于光子具有高速高带宽的特点，因此适合应用于密度大，基于脉冲的超快处理网络，光学设备在处理信息的过程中具有低功耗的特点。在超快光学计算领域光学神经拟态展现出了很大的潜力。光子神经元是神经拟态计算中信息处理的基础元件，其一般工作原理为：对输入的脉冲事件信号进行处理，当细胞膜电位的等效参数达到一定阈值后，神经元即通过脉冲生成器输出一个脉冲事件。随着光子信号处理技术以及人工神经元的发展，研发出一种光子神经元成为了可能，光子神经元和生物神经元具有类似的物理特征，两者不同之处在于生物神经元受到生物内部化学物质的影响，光子神经元受到光学设备自身的半导体特性的影响。光学神经元的运算速度是生物神经元运算速度的几百万至十亿倍，也是其他的神经拟态系统无法超越的，还可以实现传统的数字或模拟的光计算无法完成的复杂计算任务，例如学习与记忆、自适应控制等。目前的光学神经元也面临着一些问题，特别是集成度低、功耗高、与cmos集成工艺所要的硅材料不兼容等问题。

针对现有的脉冲神经元技术，本发明旨在提出一种基于硅基微腔的类神经元光脉冲输出方案，本发明将硅基技术与神经元技术结合，可以模拟出生物神经元响应行为，实现类神经元的光脉冲的产生，能够实现超低功耗并有利于可集成的光子神经元技术的发展。

本发明提供一种基于硅基微腔的类神经元光脉冲输出系统，其主要构成为：激光光源(laser)、oi、偏振光片(pol)、硅基光子微腔芯片(siliconoptomechanicalchip)、光电二极管(pd)、高速示波器(highspeedoscilloscope)、后处理模块(post-processing)。

下面对本发明的基本原理进行说明：在硅基光子微腔结构中通过微机械谐振器调制作用，使系统最终输出对应的类神经元光脉冲。其中在硅基光子微腔芯片中主要是微观机械谐振器和高q/v光学谐振器对腔内的光场进行作用。通过分析微振子的振动位移，腔内光场强，载流子浓度，局域温度偏移等直接的非线性耦合，可以揭示集成激光混沌源的基本物理过程。基本而言，在硅基光子微腔中，自由载流子色散(fcd)将导致腔的蓝移，而双光子吸收(tpa)和自由载流子吸收(fca)将导致红移。这两种非线性机制的竞争将导致硅光子微腔输出的时域调制。具体而言，当输入的光频率相对于硅光子微腔稍微红移一点时。高q微腔的腔内将因为光场局域化导致显著的tpa效果。而tpa将进一步产生大量的自由载流子。相关的fcd机制和fca机制将使自由载流子耗散掉。其中，fcd可以导致一个快速的光子微腔蓝移，而tpa和fca将加热光子微腔从而导致一个缓慢的红移。而这种红移最终会阻止蓝移，并进一步是使整个光子微腔红移，而红移的光子微腔将使腔内的光场迅速减弱，使微腔缓慢冷却，从而最终又是微腔进入下一个循环。这就导致一个自发的极限环振荡。但是，微腔中还存在另外一个极限环振荡，就是光机械振荡(optomechanicaloscillation,omo)，当输入的光功率超过固有的机械阻尼损耗时会形成一个连续的振荡，omo可以调制硅基光子微腔的腔内光场。两者的共存将使得系统具有了额外的自由度，从而比较容易失稳。通过实现omo和自发振荡之间有效的耦合，使硅基光子微腔芯片进入类神经元spiking的振荡态。

图1为硅基光子微腔芯片结构图，如图1所示，在此结构中通过载流子自发极限环振荡和光机械的振荡的耦合，对输入光脉冲进行调制，当微腔进入类似于神经元spiking的脉冲振荡态，进而输出类神经元的光脉冲。

图2为类神经元光脉冲输出整体系统方案图，如图2所示，其中主要各结构为：laser：激光光源，oi：光隔离器，pol：偏振光片，siliconoptomechanicalmicrocavity：硅光机械微腔，pd：光电二极管，highspeedoscilloscope：高速示波器，osa：光谱分析仪，esa：频谱分析仪。其中光隔离器是用来防止外界干扰光的扰动；偏振控制器的功能是得到线偏振光；硅基光子微腔芯片通过载流子自发极限环振荡和光机械振荡的耦合输出光脉冲；光电二极管是将光信号转化为电信号；通过高速示波器、光谱分析仪和频谱分析仪对波形进行分析。

图3为根据本发明得到的激光通过系统输出的光脉冲时域测试结果图，如图3所示，其拥有四个典型的神经元spiking脉冲特性包括绝对不应期、相对不应期、超常期、低常期，当微腔进入了spiking的脉冲振荡态而产生光脉冲，测试结果显示光脉冲的宽度约为4ns，之后，此期间为绝对不应期绝对不应期(absolutelyrefractory)，即在此区间增加输入能量也不会得到新脉冲；再之后，器件进入相对不应期(relativelyrefractory)，在此期间增加输入可以产生光脉冲，但无法产生与原脉冲相同幅度的光脉冲；相对不应期结束即进入超常期，此期间出现一过性的高于正常值的兴奋；然后进入低常期，此期间出现一过性的低于正常值的兴奋，符合生物神经元的行为特性。

具体而言，在本发明中，如图1所示，本发明设计了基于绝缘体上硅片(silicon-on-insulator,soi)(soi)的光机械晶体的微腔芯片，实现了皮克量级的等效质量。首先，对光机械晶体的光学和以及腔光机械耦合进行设计。然后，对设计的器件进行制备，再在实验测试方案中进行性能测试。器件基于二维平面光机械晶体理论，通过在硅基材料在周期性的布置微小圆孔(其晶格常数为500nm，孔半径和晶格常数之间的差为0.34)，得到了工作在c波段的光子晶体结构，形成光学能带结构，从而对在其中传输的光波产生调控，通过在微腔中心区域设置5nm，10nm，15nm的微小孔位移从而形成光子晶体局域缺陷，从而实现对光波的束缚，另外，材料三的空间周期性排列微孔也会形成声子晶体，从而有了声学能带结构。具体而言，在本方案中本发明通过在硅光子晶体的中心对称轴上引入100nm左右的微槽来得到声学振荡。

下面对本发明实施过程中器件设计与制造进行说明：本发明的光机械晶体在绝缘体上硅(soi)晶圆上制作，使用了250nm厚的硅膜上进行反应性离子刻蚀。狭缝的宽度控制为临界80纳米宽度，使用了抗蚀剂的图案化轮廓约为185nm缝隙线宽，然后转化成倾斜的氧化物蚀刻，得到底部为80nm氧化物间隙，实现高效的光波(光场)和弹性波(机械振动)耦合而有利于得到spiking振荡信号。

器件测试方案如图2所示，首先通过使用可调节激光器输出波长为1538.7nm的光，该光通过光隔离器(oi)隔离之后防止外界干扰光的扰动，进入偏振控制器(pol)得到良好的线偏振光，将该光通过耦合透镜注入实验的硅光器械微腔中。通过控制微腔的温度使驱动光波长与腔的频率实行量维护实行，具体实行量可选为-10pm，则此时进入硅光微腔的光长将对微腔进行强烈的调制，并激发出强烈的载流子自发极限环振荡和光机械的振荡，二者的共存使腔具有了足够的自由度且阈值容易失稳。通过omo和和自发振荡之间的耦合，使微腔进入了类似于神经元spiking的脉冲振荡态，进而输出类神经元的光脉冲，将光脉冲注入高速光电探测器中，将光信号变成电信号以便于后续的设备分析和检测，同时将微腔输出的部分光注入高分辨率光谱仪中以实施准确测量。图3为测试微腔得到的典型spiking结果，结果显示了spiking的四个典型特征：绝对不应期(absolutelyrefractory)、相对不应期(relativelyrefractory)、超常期(supernormalphase)、低常期(subnormalphase)，图4为测试得到的典型单spiking脉冲结果；图5为测试得到的典型级联spiking脉冲结果。

在本实施列中，硅光机械微腔的硅基材料晶格常数为500nm，孔半径和晶格常数之间的差为0.34，硅光机械微腔中心区域分别设置5nm和10nm和15nm的微小孔位移从而形成光子晶体局域缺陷。光机械晶体在绝缘体上硅(soi)晶圆上制作，使用了250nm厚的硅膜上进行反应性离子刻蚀。狭缝的宽度控制为临界80纳米宽度，使用了抗蚀剂的图案化轮廓约为185nm缝隙线宽，然后转化成倾斜的氧化物蚀刻，得到底部为80nm氧化物间隙。发明人通过实验提供图3图4和图5，证明上述参数选择可以实现使硅光机械微腔进入了类似于神经元spiking的脉冲振荡态，进而输出类神经元的光脉冲的技术效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。