一种基于片上4f系统的可切换型光计算器

本技术涉及硅基光电子和模拟光计算领域，具体是一种基于片上4f系统的可切换型光计算器。

背景技术：

1、强大的计算能力、高效的信息处理系统和迅速增长的大数据需要采用光子而非电子作为主要信息载体来缓解传统电子学中出现的带宽和速度瓶颈。光学提供了一个独特而高效的平台，用于并行模拟计算。光学计算具有明显的优势，如超高速度、超低功耗和并行计算能力。随着人工智能的飞跃，专用于单一功能的模拟光学正在快速发展。自从silva等人提出了空间模拟光学以来，一些空间域设备，如空间滤波器、卷积器、微分器、积分器等，已经被提出。与时域设备不同，这些设备中的信号在空间中分布。通过使用空间傅里叶变换方法或格林函数方法，可以实现所需的传输函数来执行操作。作为一种可以自由调整光场的新型结构，超表面似乎是完美的候选者。目前，通过超表面结构在空间中设计了各种模拟光学计算设备，例如通过格林函数方法设计的超表面，反射透射超表面，光子晶体超表面和多层膜超表面。然而，在空间中组装这些超表面系统是一项非常困难的任务。在芯片上集成这样的光学系统非常有吸引力。而且这不仅会大大减小器件的尺寸，还有潜力实现大规模集成，完成大规模计算。

2、目前能够实现单一功能的片上模拟光计算器件已经被提出，比如可以实现积分或微分等功能。但是在实际情况中需要的计算任务复杂，仅仅实现单一功能完全不能满足实际需求。

技术实现思路

1、本实用新型要解决的技术问题是解决目前的片上模拟光计算器件只能实现单一功能的计算，而无法实现几种计算几种功能之间的切换与调谐，提供一种基于片上4f系统的可切换型光计算器，可以实现几种光计算之间的切换，结构紧凑。

2、本实用新型实施例提供一种基于片上4f系统的可切换型光计算器，包括依次设置在绝缘体上硅上的输入波导、第一超透镜、中间超表面、第二超透镜和输出平面，所述中间超表面包括多个相变材料块构成的阵列，所述输入波导、第一超透镜、中间超表面、第二超透镜和输出平面之间的距离相同。本实用新型所述的距离，即超透镜的焦距f，可以为15μm，是指输入波导，第一超透镜的起始位置，中间超表面的中间位置，第二超透镜的起始位置，输出平面的间距，间距相等且均为f。

3、优选的，所述绝缘体上硅包括依次设置的硅基底、二氧化硅中间层和顶层硅。

4、优选的，所述二氧化硅中间层的厚度为1μm，顶层硅的厚度为0.22μm。

5、优选的，所述超透镜由在绝缘体上硅上刻蚀后的一组空气狭缝构成，空气狭缝沿光的传输方向对称分布(对称分布的轴线为可切换型光计算器的中心轴线)，所述空气狭缝的长度方向和光的传输方向(即可切换型光计算器的中心轴线)相同。

6、优选的，不同空气狭缝的宽度(即和可切换型光计算器的中心轴线垂直的方向)相同，相邻空气狭缝的间距(即和可切换型光计算器的中心轴线垂直的方向)相同。

7、优选的，所述空气狭缝的宽度为0.14μm，所述相邻空气狭缝的间距为0.5μm，以可切换型光计算器的中轴线向两侧延伸，不同空气狭缝的长度依次为：8nm、68nm、189nm、370nm、610nm、909nm、1265nm、1679nm、208nm、731nm、1307nm、1935nm、672nm、1399nm。本实用新型所述的空气狭缝的深度，即在顶层硅上刻蚀的深度为220nm，即将空气狭缝处的顶层硅全部刻蚀掉。

8、优选的，所述相变材料为gst材料，相变材料是沉积在顶层硅上的，相变材料块本身为矩形块。

9、优选的，每个相变材料块大小相同，呈矩形分布，且横向和纵向的间距相同。呈矩形分布的含义为多个相变材料块组合形成矩形分布。

10、优选的，相变材料块的数量为12(长度方向)×17(宽度方向)个。

11、优选的，相邻相变材料块的间距分布为0.15μm(长度方向)、0.2μm(宽度方向)，相变材料块的大小为0.25μm(长度方向)，0.3μm(宽度方向)和0.05μm(深度方向)。

12、本实用新型的有益效果是，本实用新型的相变材料在不同温度下可以在晶态和非晶态之间转换。在相态发生变化时，其光学特性会发生明显变化，即其折射率的实部和虚部会显著变化。在4f系统的中间频谱面加入相变材料，通过通电加热的方式快速切换不同gst小块的相态，从而在中间频谱面实现不同的透过率，基于傅里叶光学的原理，可以实现不同的光计算之间的切换。该器件结构简单，克服了以往模拟光计算器件只能实现单一功能的难点，并且尺寸紧凑，可以在芯片上大规模集成。基于光计算超高速度、超低功耗和并行计算能力，该器件有潜力在更小的芯片上实现更快的计算速度和完成更复杂的计算任务，在光计算领域有着重要的应用前景。

技术特征：

1.一种基于片上4f系统的可切换型光计算器，其特征是，包括依次设置在绝缘体上硅上的输入波导(4)、第一超透镜(5)、中间超表面(6)、第二超透镜(7)和输出平面(8)，所述中间超表面(6)包括多个相变材料块构成的阵列，所述输入波导(4)、第一超透镜(5)、中间超表面(6)、第二超透镜(7)和输出平面(8)之间的距离相同。

2.如权利要求1所述的基于片上4f系统的可切换型光计算器，其特征是，所述绝缘体上硅包括依次设置的硅基底(1)、二氧化硅中间层(2)和顶层硅(3)。

3.如权利要求2所述的基于片上4f系统的可切换型光计算器，其特征是，所述二氧化硅中间层(2)的厚度为1μm，顶层硅(3)的厚度为0.22μm。

4.如权利要求1-3任一项所述的基于片上4f系统的可切换型光计算器，其特征是，所述超透镜由在绝缘体上硅上刻蚀后的一组空气狭缝构成，空气狭缝沿光的传输方向对称分布，所述空气狭缝的长度方向和光的传输方向相同。

5.如权利要求4所述的基于片上4f系统的可切换型光计算器，其特征是，不同空气狭缝的宽度相同，相邻空气狭缝的间距相同。

6.如权利要求5所述的基于片上4f系统的可切换型光计算器，其特征是，所述空气狭缝的宽度为0.14μm，所述相邻空气狭缝的间距为0.5μm，以可切换型光计算器的中轴线向两侧延伸，不同空气狭缝的长度依次为：8nm、68nm、189nm、370nm、610nm、909nm、1265nm、1679nm、208nm、731nm、1307nm、1935nm、672nm、1399nm。

7.如权利要求1-3任一项所述的基于片上4f系统的可切换型光计算器，其特征是，所述相变材料为gst材料。

8.如权利要求1-3任一项所述的基于片上4f系统的可切换型光计算器，其特征是，每个相变材料块大小相同，呈矩形分布，且横向和纵向的间距相同。

9.如权利要求8所述的基于片上4f系统的可切换型光计算器，其特征是，相变材料块的数量为12×17个。

10.如权利要求8所述的基于片上4f系统的可切换型光计算器，其特征是，相邻相变材料块的间距分布为0.15μm、0.2μm，相变材料块的大小为0.25μm，0.3μm和0.05μm。

技术总结本技术涉及硅基光电子和模拟光计算领域，具体是一种基于片上4f系统的可切换型光计算器，包括依次设置在绝缘体上硅上的输入波导、第一超透镜、中间超表面、第二超透镜和输出平面，所述中间超表面包括多个相变材料块构成的阵列，所述输入波导、第一超透镜、中间超表面、第二超透镜和输出平面之间的距离相同；本技术可以实现几种光计算之间的切换，结构紧凑。技术研发人员：陈宇泰,黄浩展,方恩卓,叶子阳,马汉斯,杨俊波受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学技术研发日：20231129技术公布日：2024/5/29