Оптический синапс

Изобретение относится к области фотоники и микроэлектроники, а именно к оптическому синапсу, который имитирует биологический синапс, и может быть использовано в модулях, предназначенных для создания элементов оптических вычислительных систем, нейроморфных систем и устройств полностью фотонной памяти. В оптическом синапсе, имитирующим биологический синапс, состоящем из источника входного оптического сигнала, приемника выходного оптического сигнала и источника управляющего оптического сигнала, источник и приемник сигнала подключены к планарному сигнальному волноводу, на поверхности которого выполнены одна или более оптически активных зон, образованных фазоизменяемым материалом группы халькогенидов, перпендикулярно которой установлен источник управляющего сигнала, причем планарный волновод размещен на подложке. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции при оперировании только оптическими сигналами. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к перспективному направлению в области развития компьютерной техники, а именно к оптическому синапсу, который имитирует биологический синапс, являющийся элементом, обеспечивающим работу человеческого мозга. Применение оптического синапса позволит создать чипы, которые станут основой компьютеров, обладающих возможностью думать и обучаться так же, как это делают люди.

Конкретно предлагаемое устройство относится к области фотоники и микроэлектроники, в частности к оптически управляемым системам хранения и передачи информации, и может быть использовано в модулях, предназначенных для создания элементов оптических вычислительных систем, нейроморфных систем и устройств полностью фотонной памяти нового поколения.

Технология создания устройств оптической памяти на основе фазоизменяемых материалов является достаточно зрелой и постоянно совершенствуется. Тем не менее, в настоящее время ее применение серьезно ограничивается передачей информации в вычислительной архитектуре фон Неймана, где хранение и обработка данных разделены и происходят в различных модулях. Еще одним серьезным ограничением скорости обработки и передачи информации является технология на основе воздействий электрическими импульсами. В отличие от кремниевой технологии, базирующейся на «медленных» электронах, фотоника обеспечивает увеличение передачи данных из-за неограниченной пропускной способности и сверхвысокой скорости передачи. Преимущество предлагаемого устройства состоит в том, что оно сочетает в себе оптические преимущества микроразмерных волноводов, обеспечивающих высокую пропускную способность информационных сигналов, и наноразмерных фазоизменяемых материалов, отвечающих за сверхбыструю их модуляцию.

Такой подход, в конечном итоге, позволит реализовать эффективные энергонезависимые запоминающий и вычислительный элементы в одном модуле подобно биологическим синапсам и нейронам.

Модуляция интенсивности оптического сигнала, распространяющегося по волноводу, осуществляется путем изменения волноводного режима в результате динамических изменений оптических констант (пропускание, отражение, показатель преломления и коэффициент экстинкции) активного элемента из фазоизменяемого материала (ФИМ) при быстром лазерно-индуцированном фазовом переходе. Используя указанный принцип изменения пропускания, первые эксперименты в этом направлении привели к разработке оптических затворных переключателей, использующих фазовые переходы в материале Ge₂Sb₂Te₅ (GST), интегрированные с оптическими волноводами из кремния [1, 2]. Скорость модуляции оптического сигнала в волноводе определяется скоростью лазерно-индуцированного фазового перехода фазоизменяемого материала активного элемента, которая может быть определена с применением времяразрешенных синхротронных и нейтронных методов структурных исследований. Та же группа из Университета Кейо продемонстрировала экспериментально переключатель на основе интерферометра Маха-Цендера, реализованный на GST [3]. В этих работах пропускание моды ИК-диапазона значительно изменялось, поскольку затухание увеличивалось при переводе GST из аморфного в кристаллическое состояние. Переключение фазы осуществлялось с помощью внешних лазерных импульсов, но его обратимое переключение не было продемонстрировано, т.е. был получен только переход из аморфного состояния в кристаллическое.

Технологии быстро совершенствовались и уже в 2019 г. были реализованы основные прототипы синапсов на основе твердотельных волноводов (нитрид кремния): с ячейкой ФИМ, с напылением тонкой пленки ФИМ вдоль волновода и с ячейкой, ограниченной наноантеннами из серебра для получения плазмонного усиления [4].

Тем не менее, ряд патентов и научных работ посвящены идеям и математическим моделям реализации основных логических операций в нейроинтерфейсных средах.

Известно техническое решение, содержащее интегральный передающий оптический элемент (модулятор), в котором при воздействии внешнего сигнала за счет нелинейных свойств материала изменяется коэффициент преломления [5]. По числу совпадающих существенных признаков данное техническое решение является прототипом предлагаемой полезной модели.

Недостаток прототипа заключается в сложной технологической интеграции модулятора, который сам является сложным составным устройством, в миниатюрные оптические системы.

Технической задачей является создание простого по конструкции устройства, в котором реализована модуляция проходящего через синаптический интерфейс сигнала, т.е. реализация функций потенцирования и депрессирования.

Техническим результатом является создание оптического синапса (синапс-подобного оптического интерфейса), имитирующего работу биологических синапсов и оперирующего только оптическими сигналами, который сочетает передающее устройство (волновод) с интегрированным активным оптическим элементом.

Поставленные техническая задача и результат достигаются в результате того, что в оптическом синапсе, имитирующим биологический синапс, состоящем из источника входного оптического сигнала, приемника выходного оптического сигнала и источника управляющего оптического сигнала, источник и приемник сигнала подключены к планарному сигнальному волноводу, на поверхности которого выполнены одна или более оптически активных зон, образованных фазоизменяемым материалом группы халькогенидов, перпендикулярно которой установлен источник управляющего сигнала, причем планарный волновод размещен на подложке.

Планарный волновод выполняют из оптически прозрачного светоотверждаемого полимера. Оптически активная зона планарного волновода может быть изготовлена из светоотверждаемого полимера, в объеме которого распределены наночастицы фазоизменяемого материала, размер и концентрация которых определяют пропускную способность активной зоны. Возможен вариант, в котором оптически активная зона планарного волновода выполнена в виде тонкой сплошной пленки из фазоизменяемого материала, нанесенной на поверхность волновода. Активная зона планарного волновода может быть выполнена в виде сплошной пленки фазоизменяемого материала, нанесенной на поверхность подложки под волноводом. Также возможены варианты выполнения оптически активной зоны планарного волновода в виде тонкого слоя наночастиц фазоизменяемого материала, нанесенного на поверхность волновода, или нанесенного на поверхность подложки под волноводом. Источник и приемник оптического сигнала могут быть размещены непосредственно на подложке. Кроме того, источник оптического сигнала и источник управляющего сигнала могут быть подключены к одному концу планарного волновода, а приемник оптического сигнала к другому концу названного волновода. Возможен вариант, когда источник управляющего сигнала подключен к планарному волноводу, расположенному поверх сигнального планарного волновода в перпендикулярном направлении.

Конструкция и функционирование синапса поясняются схемами на фигурах.

Фиг. 1 Принципиальная схема синапса, где 1 - подложка, 2 - сигнальный волновод, 3 - оптически активная зона, 4 - источник оптического сигнала, 5 - приемник оптического сигнала, 6 - источник управляющего сигнала.

На подложке 1 синапса размещен планарный волновод 2. На поверхности волновода расположена оптически активная область 3 из фазоизменяемого материала (ФИМ). Оптически активных зон может быть несколько. По торцам волновода размещен источник оптического сигнала 4 и приемник оптического сигнала 5. Над активной областью 3 установлен внешний управляющий источник 6, с которого подается направленный управляющий оптический импульсный сигнал.

Фиг. 2 - вариант синапса, при котором в качестве активной области (поз. 3а) выступает область волновода, выполненная из полимера, аналогичного материалу волновода, в объеме которого распределены наночастицы фазоизменяемого материала.

Фиг. 3 - вариант синапса, при котором в качестве активной области (поз.3б) используется тонкая пленка фазоизменяемого материала или тонкая полимерная пленка, в объеме которой равномерно распределены наночастицы ФИМ.

Фиг. 4 - вариант синапса, в котором и приемник (поз.4) и источник (поз.5) сигнального лазерного излучения расположены на единой с волноводом подложке (поз.1).

Фиг. 5 - вариант синапса, в котором основной оптический сигнал от источника (поз.4) и внешний управляющий сигнал от источника (поз.6) распространяются по одному волноводу (поз.2).

На фиг.6 - вариант синапса, в котором управляющий сигнал от источника (поз.6) распространяется в ортогональном направлении по планарному волноводу, расположенному поверх сигнального волновода (поз.2).

Материал подложки выбирается таким образом, чтобы обеспечить условие распространения оптического сигнала в волноводе. В качестве оптического сигнала применяют лазерное излучение такой длины волны, на которой обеспечивается максимальный контраст оптических свойств фазоизменяемого материала, обусловленный изменением его фазового состояния от аморфного к кристаллическому и наоборот под действием внешнего управляющего излучения. Параметры внешнего управляющего источника выбраны таким образом, чтобы обеспечить максимальную энергетическую эффективность (максимальное поглощение энергии управляющего импульса материалом активной области.)

Волновод (отдельно от активной области) обладает высоким пропусканием на длине волны основного сигнального излучения. Активная область из фазоизменяемого материала (ФИМ) (в данном случае - Ge₂Sb₂Te₅) обладает различными оптическими свойствами в зависимости от фазового состояния материала, которое в свою очередь управляется внешним оптическим воздействием. Так, в аморфном состоянии ФИМ характеризуется низким коэффициентом поглощения (а=0.1) и низким показателем преломления (n=4), таким образом, проходящий оптический сигнал имеет максимальный уровень (Р=10 мВт), а в кристаллическом возрастает как поглощение (а=2) так и показатель преломления (n=6.5), что уменьшает уровень проходящего сигнала (до уровня Р=2 мВт). При этом возможно множество промежуточных состояний, обусловленных соотношением аморфной и кристаллической фазы в объеме материала активной области. Таким образом, управляя энергетическими параметрами внешнего излучения можно обеспечить управление уровнем проходящего через волновод сигнала.

Синапс работает следующим образом, оптический информационный сигнал, представляющий собой излучение постоянной мощности на длине волны 1,55 мкм и постоянным уровнем мощности Р=15 мВт., заводят с помощью оптического волокна или напрямую с лазерного диода в волновод, выполненный из полимера SU-8. Оптический управляющий сигнал, представляющий собой импульсное лазерное излучение 532 нм с плотностью энергии импульса достаточной для осуществления фазового перехода в ФИМ в оптически активной зоне, заводят перпендикулярно волноводу сверху на оптически активную область, либо через оптическое волокно в сигнальный волновод, либо управляющее излучение является излучением лазерного диода. Управляя энергией импульсов управляющего сигнала в шароком диапазоне, который необходим для процессов кристаллизации и реаморфизации ФИМ, а также изменяя длительность импульса управляющего излучения, производят модификацию активной области (либо кристаллизацию, либо аморфизацию). В результате на выходе регистрируют изменение уровня сигнала сигнального оптического излучения.

Возможны несколько вариантов выполнения активной области, например, в качестве активной области можно использовать область волновода 3а (фиг.2), выполненная из полимера, аналогичного материалу волновода, в объеме которого распределены наночастицы фазоизменяемого материала.

В качестве активной области поз.36 возможно применение фазоизменяемого материала или тонкой полимерной пленки, в объеме которой равномерно распределены наночастицы ФИМ (фиг.3).

Возможно несколько конструктивных вариантов взаимного расположения элементов синапса. Приемник и источник оптического сигнала можно располагать непосредственно на подложке (фиг.4). Источник оптического сигнала и источник управляющего могут быть подключены к одному концу волновода, а приемник оптического сигнала - к другому концу волновода (фиг.5). Также возможна конструкция, в которой источник сигнала, приемник сигнала и источник управляющего сигнала лежат в одной плоскости на подложке 1 (фиг.6), а источник управляющего излучения подключен к планарному волноводу, расположенному на подложке поз.1 поверх сигнального волновода поз.2 в ортогональном направлении.

Следует отметить, что в вариантах конструкции по фиг.1-4 возможно использование нескольких последовательно расположенных активных областей (поз.3, 3а или 3б) и нескольких источников управляющего излучения (поз.6). Также, в варианте конструкции по фиг.6, возможно использование нескольких последовательно расположенных активных областей (поз.3, 3а или 3б), волноводов управляющего сигнала (поз.2а) и нескольких источников управляющего излучения (поз.6).

Результаты проведенных испытаний синапса показали его промышленную применимость.

Источники информации

1. Y. lkuma, Y. Shoji, М. Kuwahara, X. Wang, К. Kintaka, Н. Kawashima, D. Tanaka, and H. Tsuda. Small-sized optical gate switch using Ge2Sb2Te5 phase-change material integrated with silicon waveguide. Electronics Letters, 46(5):368, 2010.

2. H. Tsuda, T. Moriyama, P. Jain, D. Tanaka, M. Kuwahara, and X. Wang. Compact optical switch using phase-change material for transparent photonic network. EPCOS 2013 Conference Proceedings, pp.2-5, 2013.

3. T. Moriyama, D. Tanaka, P. Jain, H. Kawashima, M. Kuwahara, X. Wang, and H. Tsuda. Ultra-compact, self-holding asymmetric Mach-Zehnder interferometer switch using Ge2Sb2Te5 phase-change material. IEICE Electron. Expr., 11(15):20140538-20140538, 2014.

4. Su-Ting Han (editor), Ye Zhou (editor). Photo-Electroactive Non-Volatile Memories for Data Storage and Neuromorphic Computing. Woodhead Publishing Series (2020)

5. Заявка на патент США US 20190294021, «Integrated Optical Transmission Element)), МПК G02F 1/29, опубл. 26.09. 2019.

1. Оптический синапс, имитирующий биологический синапс, состоящий из источника входного оптического сигнала, приемника выходного оптического сигнала и источника управляющего оптического сигнала, отличающийся тем, что источник и приемник сигнала подключены к планарному сигнальному волноводу, на поверхности которого выполнены одна или более оптически активных зон, образованных фазоизменяемым материалом, например соединениями группы халькогенидов, перпендикулярно которой установлен источник управляющего сигнала, причем планарный волновод размещен на подложке.

2. Оптический синапс п. 1, отличающийся тем, что планарный волновод изготовлен из оптически прозрачного светоотверждаемого полимера.

3. Оптический синапс по п. 1, отличающийся тем, что оптически активная зона планарного волновода изготовлена из светоотверждаемого полимера, в объеме которого распределены наночастицы фазоизменяемого материала, размер и концентрация которых определяют пропускную способность активной зоны.

4. Оптический синапс по п. 1, отличающийся тем, что оптически активная зона планарного волновода выполнена в виде тонкой сплошной пленки из фазоизменяемого материала, нанесенной на поверхность волновода.

5. Оптический синапс по п. 1, отличающийся тем, что оптически активная зона планарного волновода выполнена в виде сплошной пленки фазоизменяемого материала, нанесенной на поверхность подложки под волноводом.

6. Оптический синапс по п. 1, отличающийся тем, что оптически активная зона планарного волновода выполнена в виде тонкого слоя наночастиц фазоизменяемого материала, нанесенного на поверхность волновода.

7. Оптический синапс по п. 1, отличающийся тем, что оптически активная зона планарного волновода выполнена в виде тонкого слоя наночастиц фазоизменяемого материала, нанесенного на поверхность подложки под волноводом.

8. Оптический синапс по п. 1, отличающийся тем, что источник и приемник оптического сигнала размещены непосредственно на подложке.

9. Оптический синапс по п. 1, отличающийся тем, что источник оптического сигнала и источник управляющего сигнала подключены к одному концу планарного волновода, а приемник оптического сигнала к другому концу названного волновода.

10. Оптический синапс по п. 1, отличающийся тем, что источник управляющего сигнала подключен к планарному волноводу, расположенному поверх сигнального планарного волновода в перпендикулярном направлении.