半导体光学非线性运算器件、调制方法及运算器

1.本技术涉及半导体光学芯片技术领域，特别涉及一种半导体光学非线性运算器件、调制方法及运算器。

背景技术：

2.人工智能算法高速迭代，使得传统计算硬件的算力与能效逐渐无法满足需求，亟需开发支撑人工智能算法的新型算力芯片，目前国际上的一种新兴技术趋势是采用光作为计算载体，通过设计加工合理的介电材料结构，使得光实现符合人工智能算法特性的受限传播，从而完成计算。
3.当前光智能计算包括谐振神经网络、干涉神经网络、散射神经网络和衍射神经网络等计算架构，而这些方法可以高速、高能效地完成人工智能算法中神经元的加权求和过程。然而，在表达神经元非线性激活方面能力有限，限制了光学神经网络芯片的应用。
4.相关技术中，非线性层主要由光电探测器线阵承担，光电探测器读取光学神经网络输出的光场能量，是相应电场强度的平方，完成平方非线性计算。这种方法非线性系数不高，而且只能在网络的末尾加入一层非线性，可扩展性不强；除此之外非线性的实现还包括使用非线性材料，在高能量光激励下体现高阶非线性效应，但是这种方法能耗太大。

技术实现要素：

5.本技术提供一种半导体光学非线性运算器件、调制方法及运算器，以解决相关技术中非线性系数不高、可扩展性不强、功耗高、应用范围小以及弱光非线性不强等问题。
6.本技术第一方面实施例提供一种半导体光学非线性运算器件，包括：波导、p型半导体与n型半导体，其中，所述p型半导体与所述n型半导体分别掺杂在所述波导的两侧，形成pn结，其中，当施加在所述pn结上的反偏电压值大于预设阈值时，使得所述波导处于雪崩临界状态，所述波导吸收入射光产生光电流触发雪崩，在所述波导中产生等离子体，并基于等离子体散效应或热效应改变所述波导的折射率，实现光强度的非线性调制。
7.可选地，所述波导为环形波导结构或布拉格谐振波导结构。
8.可选地，所述波导的折射率与所述等离子体的浓度成第一预设比例关系。
9.可选地，所述波导吸收入射光产生光电流触发雪崩的实际强度与所述入射光的强度成第二预设比例关系。
10.可选地，在基于等离子体散效应或热效应改变所述波导的折射率时，使得微环振荡器的共振波长发生平移，并在共振峰附近预设波长的光强度的改变程度大于预设程度。
11.本技术第二方面实施例提供一种非线性运算器，包括至少一个如上述实施例所述的半导体光学非线性运算器件。
12.本技术第三方面实施例提供一种如上述实施例所述的半导体光学非线性运算器件的调制方法由此，包括以下步骤：在所述pn结上施加反偏电压值；当施加在所述pn结上的
反偏电压值大于预设阈值时，使得所述波导处于雪崩临界状态，所述波导吸收入射光产生光电流触发雪崩，在所述波导中产生等离子体，基于等离子体散效应或热效应改变所述波导的折射率，实现光强度的非线性调制。
13.可选地，所述基于等离子体散效应或热效应改变所述波导的折射率，包括：获取所述等离子体的实际浓度；根据所述等离子体的实际浓度改变所述波导的折射率为与所述实际浓度匹配的目标折射率。
14.可选地，所述波导的折射率与所述等离子体的浓度成第一预设比例关系。
15.可选地，所述波导吸收入射光产生光电流触发雪崩的实际强度与所述入射光的强度成第二预设比例关系。
16.本技术至少具有如下有益效果：
17.本技术实施例具有尺寸小，功耗低，调制效率高的特点，可与当前硅基光电子工艺兼容等优势，利用pn结施加反向偏压时的雪崩效应实现在载流子浓度的非线性调制，基于等离子体散效应或热效应实现硅波导折射率的改变，从而实现片上弱光条件下光强的非线性表达。由此，解决了相关技术中非线性系数不高、可扩展性不强、功耗高、应用范围小以及弱光非线性不强等问题。
18.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
19.本技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
20.图1为根据本技术实施例的利用雪崩效应和等离子体散效应或热效应实现对光强实现非线性调控的片上器件示意图；
21.图2为根据本技术实施例的半导体光学非线性运算器件的调制方法的流程图。
具体实施方式
22.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
23.下面参考附图描述本技术实施例的半导体光学非线性运算器件、调制方法及运算器。针对上述背景技术中提到的非线性系数不高、可扩展性不强、功耗高、应用范围小以及弱光非线性不强等问题，本技术提供了一种半导体光学非线性运算器件，在脊形波导的两侧分别进行p+和n+掺杂，形成pn结，在施加反偏电压且当电压强度达到一定阈值时会发生雪崩效应，当有光入射时，光生载流子触发雪崩使得载流子浓度急速上升，基于等离子体散效应或热效应，环形波导的折射率发生较大改变，导致微环振荡器的共振波长发生平移，那么共振峰附近特定波长的光强度会发生较大改变，在光强不同的前提下，透过率不同，从而实现了强度的非线性调制。由此，解决了相关技术中非线性系数不高、可扩展性不强、功耗高、应用范围小以及弱光非线性不强等问题。
24.具体而言，图1为本技术实施例所提供的利用雪崩效应和等离子体散效应或热
效应实现对光强实现非线性调控的片上器件示意图。
25.如图1所示，该半导体光学非线性运算器件包括：波导、p型半导体与n型半导体。
26.其中，p型半导体与n型半导体分别掺杂在波导的两侧，形成pn结，其中，当施加在pn结上的反偏电压值大于预设阈值时，使得波导处于雪崩临界状态，波导吸收入射光产生光电流触发雪崩，在波导中产生等离子体，并基于等离子体散效应或热效应改变波导的折射率，实现光强度的非线性调制。
27.其中，预设阈值可以是根据半导体材料选择、掺杂质的浓度、pn结的制造工艺等进行控制的，可以从几伏到几千伏，根据具体情况进行调整设定，在此不做具体限定。
28.其中，雪崩是指当一个半导体二极管加上足够高的反向偏压时，在耗尽层内运动的载流子就可能因碰撞电离效应而获得雪崩倍增，
29.可以理解的是，本技术实施例将p型半导体和n型半导体分别掺杂与波导的两侧形成pn结，当施加在pn结上的反偏电压大于一定值时，此时波导处于雪崩临界状态，当波导吸收入射光触发雪崩使得载流子的浓度急剧上升，在波导中产生大量的电子空穴对，并基于等离体子散效应原理，环形波导的折射率发生较大改变，导致微环振荡器的共振波长发生平移，那么共振峰附近特定波长的光强度会发生较大改变，从而实现了强度的非线性调制。
30.在本技术实施例中，波导可以为环形波导或布拉格谐振波导结构。
31.可以理解的是，本技术实施例的波导为环形波导或布拉格谐振波导结构，具有尺寸小，功耗低，调制效率高等特点。
32.在本技术实施例中，波导的折射率与等离子体的浓度成第一预设比例关系。
33.其中，第一预设比例关系可以是波导的折射率与等离子体的浓度之间的比例关系，当等离子体的浓度越大时，波导的折射率也就越大，在此不做具体限定。
34.可以理解的是，本技术实施例在等离子体的浓度越大时，波导的折射率也就越大，折射率的变化时通过入射光线与等离子体的耦合来实现的，从而为弱光非线性效应打下基础，实现强度的非线性调制。
35.在本技术实施例中，波导吸收入射光产生光电流触发雪崩的实际强度与入射光的强度成第二预设比例关系。
36.其中，第二预设比例关系可以是波导吸收入射光产生光电流触发雪崩的实际强度与入射光的强度之间的比例关系，入射光越强，则入射光激发的雪崩越强，在此不做具体限定。
37.可以理解的是，本技术实施例入射光越强，则入射光激发的雪崩越强，利用半导体雪崩原理放大弱光产生的非线性效应，实现强度的非线性调制。
38.在本技术实施例中，在基于等离子体散效应或热效应改变波导的折射率时，使得微环振荡器的共振波长发生平移，并在共振峰附近预设波长的光强度的改变程度大于预设程度。
39.其中，预设波长可以根据实际情况调整设定，由于同一频率的波在不同介质中以不同速度传播则波长也不同，例如：机械波可以从它的波长来量度，可听声波长从17mm到17m不等，在此不做具体限定。
40.其中，预设程度可以用户事先设置的程度，例如：共振峰附近光强度的改变程度大
于设定的50％或是60％，在此不做具体限定。
41.根据本技术实施例提出的半导体光学非线性运算器件，在脊形波导的两侧分别进行p+和n+掺杂，形成pn结，在施加反偏电压且当电压强度达到一定阈值时会发生雪崩效应，当有光入射时，光生载流子触发雪崩使得载流子浓度急速上升，基于等离子体散效应或热效应，环形波导的折射率发生较大改变，导致微环振荡器的共振波长发生平移，那么共振峰附近特定波长的光强度会发生较大改变，在光强不同的前提下，透过率不同，从而实现了强度的非线性调制。由此，解决了相关技术中非线性系数不高、可扩展性不强、功耗高、应用范围小以及弱光非线性不强等问题。
42.本技术实施例还提供一种非线性运算器，包括如上述的半导体光学非线性运算器件，以便实现强度的非线性调制。
43.其次参照附图描述根据本技术实施例提出的半导体光学非线性运算器件的调制方法。
44.图2是本技术实施例的半导体光学非线性运算器件的调制方法的流程图。
45.如图2所示，该半导体光学非线性运算器件的调制方法，包括以下步骤：
46.在步骤s101中，在pn结上施加反偏电压值。
47.其中，pn结是由于电子与空穴的浓度差形成载流子的扩散运动，直到扩散运动达到平衡状态，形成pn结，在pn结中，形成内电场，内电场方向从n区指向p区。
48.可以理解的是，本技术实施例pn结如果施加反向电压，即p区接-，n区接+，导致pn结的外电场与内电场相同，增强了内电场阻碍电子运动的电场力，进一步减弱了扩散运动，导致内电场扩大。
49.在步骤s102中，当施加在pn结上的反偏电压值大于预设阈值时，使得波导处于雪崩临界状态，波导吸收入射光产生光电流触发雪崩，在波导中产生等离子体，基于等离子体散效应或热效应改变波导的折射率，实现光强度的非线性调制。
50.可以理解的是，本技术实施例当施加在pn结上的反偏电压大于一定值时，此时波导处于雪崩临界状态，当波导吸收入射光触发雪崩使得载流子的浓度急剧上升，在波导中产生大量的电子空穴对，并基于等离体子散效应原理，环形波导的折射率发生较大改变，从而实现强度的非线性调制。
51.在本技术实施例中，基于等离子体散效应或热效应改变波导的折射率，包括：获取等离子体的实际浓度；根据等离子体的实际浓度改变波导的折射率为与实际浓度匹配的目标折射率。
52.可以理解的是，本技术实施例通过获取的等离子体的实际浓度改变波导的折射率成为与实际浓度所匹配的折射率，从而实现强度的非线性调制。
53.在本技术实施例中，波导的折射率与等离子体的浓度成第一预设比例关系。
54.在本技术实施例中，波导吸收入射光产生光电流触发雪崩的实际强度与入射光的强度成第二预设比例关系。
55.需要说明的是，前述对半导体光学非线性运算器件实施例的解释说明也适用于该实施例的半导体光学非线性运算器件的调制方法，此处不再赘述。
56.根据本技术实施例提出的半导体光学非线性运算器件的调制方法，在脊形波导的两侧分别进行p+和n+掺杂，形成pn结，在施加反偏电压且当电压强度达到一定阈值时会发
生雪崩效应，当有光入射时，光生载流子触发雪崩使得载流子浓度急速上升，基于等离子体散效应或热效应，环形波导的折射率发生较大改变，导致微环振荡器的共振波长发生平移，那么共振峰附近特定波长的光强度会发生较大改变，在光强不同的前提下，透过率不同，从而实现了强度的非线性调制。由此，解决了相关技术中非线性系数不高、可扩展性不强、功耗高、应用范围小以及弱光非线性不强等问题。
57.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或n个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
58.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“n个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
59.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更n个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本技术的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本技术的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
60.应当理解，本技术的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，n个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列，现场可编程门阵列等。
61.本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

技术特征：

1.一种半导体光学非线性运算器件，其特征在于，包括：波导、p型半导体与n型半导体，其中，所述p型半导体与所述n型半导体分别掺杂在所述波导的两侧，形成pn结，其中，当施加在所述pn结上的反偏电压值大于预设阈值时，使得所述波导处于雪崩临界状态，所述波导吸收入射光产生光电流触发雪崩，在所述波导中产生等离子体，并基于等离子体散效应或热效应改变所述波导的折射率，实现光强度的非线性调制。2.根据权利要求1所述的半导体光学非线性运算器件，其特征在于，所述波导为环形波导结构或布拉格谐振波导结构。3.根据权利要求1所述的半导体光学非线性运算器件，其特征在于，所述波导的折射率与所述等离子体的浓度成第一预设比例关系。4.根据权利要求1所述的半导体光学非线性运算器件，其特征在于，所述波导吸收入射光产生光电流触发雪崩的实际强度与所述入射光的强度成第二预设比例关系。5.根据权利要求1所述的半导体光学非线性运算器件，其特征在于，在基于等离子体散效应或热效应改变所述波导的折射率时，使得微环振荡器的共振波长发生平移，并在共振峰附近预设波长的光强度的改变程度大于预设程度。6.一种非线性运算器，其特征在于，包括至少一个如权利要求1-5任意一项所述的半导体光学非线性运算器件。7.一种如权利要求1-5任意一项所述的半导体光学非线性运算器件的调制方法，包括以下步骤：在所述pn结上施加反偏电压值；当施加在所述pn结上的反偏电压值大于预设阈值时，使得所述波导处于雪崩临界状态，所述波导吸收入射光产生光电流触发雪崩，在所述波导中产生等离子体，基于等离子体散效应或热效应改变所述波导的折射率，实现光强度的非线性调制。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于等离子体散效应或热效应改变所述波导的折射率，包括：获取所述等离子体的实际浓度；根据所述等离子体的实际浓度改变所述波导的折射率为与所述实际浓度匹配的目标折射率。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述波导的折射率与所述等离子体的浓度成第一预设比例关系。10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述波导吸收入射光产生光电流触发雪崩的实际强度与所述入射光的强度成第二预设比例关系。

技术总结

本申请涉及半导体光学芯片技术领域，特别涉及一种半导体光学非线性运算器件、调制方法及运算器，其中，包括：波导、P型半导体与N型半导体，其中，P型半导体与N型半导体分别掺杂在波导的两侧，形成PN结，其中，当施加在PN结上的反偏电压值大于预设阈值时，使得波导处于雪崩临界状态，波导吸收入射光产生光电流触发雪崩，在波导中产生等离子体，并基于等离子体散效应或热效应等非线性效应改变波导的折射率，实现光强度的非线性调制。由此，解决了相关技术中非线性系数不高、可扩展性不强、功耗高、应用范围小以及弱光非线性不强等问题。应用范围小以及弱光非线性不强等问题。应用范围小以及弱光非线性不强等问题。