一种用于硅基光子卷积乘法运算的感光器件及其制备方法

本发明涉及硅光子器件，具体为一种用于硅基光子卷积乘法运算的感光器件及其制备方法。

背景技术：

1、卷积神经网络在对地攻击、火力引导、反导拦截等军事打击方面，以及目标识别，自动驾驶等社会民生方面发挥着举足轻重的作用。而在卷积神经网络中，80％的算力用于乘加运算。因此对基础的乘加运算进行优化是解决能耗的重中之重。由于光的传播过程自身具有低延时、低功耗、大带宽以及并行信号处理等天然优势，神经网络工作过程中的大量矩阵运算可以用光的传播过程来等效。因此考虑用光代替电来实现卷积神经网络。光子卷积神经网络已经有深入的研究。

2、在目前研究的光子卷积神经网络中，用于图像信息加载的“传感器+存储器+移位寄存器+高速调制器”的组合较为复杂且不便于集成。为应对人工智能时代对大数据，集成化的计算的需求，研究设计一个高精度，集成化用于信息加载的神经元、是超大规模集成的光子感算一体化芯片的必由之路。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于硅基光子卷积乘法运算的感光器件及其制备方法，通过锗区吸收空间光，引起锗区载流子分布改变，再通过倏逝耦合影响锗区下的硅波导折射率，引起硅波导中的模式光相位和幅度的改变，从而实现空间光信息加载。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种用于硅基光子卷积乘法运算的感光器件，包括：

3、一个硅基波导结构，设计用于传输光信号；

4、至少一个锗区域，位于所述硅基波导结构的上方，并与之耦合，用于对通过所述硅基波导结构的光信号进行调制；

5、其中，所述锗区域配置为通过感光效应在接收到空间光时产生载流子，以改变所述硅基波导结构的折射率，从而实现对光信号的卷积乘法运算。

6、优选的，所述硅基波导结构由两种不同宽度的条形波导经锥形波导耦合连接而成。

7、优选的，所述锗区域通过选区外延技术生长在所述硅基波导结构的上方。

8、优选的，所述锗区域的生长是在超高真空条件下进行。

9、本发明还提供一种制备用于硅基光子卷积乘法运算的感光器件的方法，包括以下步骤：

10、设计硅基波导结构的版图；

11、通过电子束光刻技术将所述版图转移到硅片上；

12、使用等离子体刻蚀技术形成所述硅基波导结构；

13、在所述硅基波导结构上通过超高真空化学气相沉积技术生长至少一个锗区域。

14、优选的，所述版图设计使用klayout版图绘制工具进行。

15、优选的，所述硅基波导结构的刻蚀是通过感应耦合等离子体刻蚀机进行的。

16、优选的，在所述锗区域生长前，硅片进行表面预处理以提高所述锗区域的结晶质量。

17、工作原理：本发明提供的感光器件可通过锗区吸收空间光，引起锗区载流子分布改变，再通过倏逝耦合影响锗区下的硅波导折射率，引起硅波导中的模式光相位和幅度的改变，从而实现空间光信息加载。

18、本发明提供了一种用于硅基光子卷积乘法运算的感光器件及其制备方法。具备以下有益效果：

19、1、本发明利用硅波导结构传输光信号，结合锗区域的感光效应对光信号进行高效调制，通过锗区吸收空间光，引起锗区载流子分布改变，再通过倏逝耦合影响锗区下的硅波导折射率，引起硅波导中的模式光相位和幅度的改变，从而实现空间光信息加载，实现卷积乘法运算功能，适用于高速光通信和光学信号处理领域。

20、2、本发明通过利用光子器件进行卷积乘法运算，相比电子器件有着更高的运算速度和带宽；并且，光子运算相比传统电子运算可以大幅降低能耗，特别适合于需要长时间运行的高性能计算系统；另外，通过调节空间光的强度和模式，可以实现多种光信号处理功能，增加了器件的应用范围。

技术特征：

1.一种用于硅基光子卷积乘法运算的感光器件，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的用于硅基光子卷积乘法运算的感光器件，其特征在于，所述硅基波导结构由两种不同宽度的条形波导经锥形波导耦合连接而成。

3.根据权利要求1所述的用于硅基光子卷积乘法运算的感光器件，其特征在于，所述锗区域通过选区外延技术生长在所述硅基波导结构的上方。

4.根据权利要求1所述的用于硅基光子卷积乘法运算的感光器件，其特征在于，所述锗区域的生长是在超高真空条件下进行。

5.一种制备用于硅基光子卷积乘法运算的感光器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备用于硅基光子卷积乘法运算的感光器件的方法，其特征在于，所述版图设计使用klayout版图绘制工具进行。

7.根据权利要求5所述的制备用于硅基光子卷积乘法运算的感光器件的方法，其特征在于，所述硅基波导结构的刻蚀是通过感应耦合等离子体刻蚀机进行的。

8.根据权利要求5所述的制备用于硅基光子卷积乘法运算的感光器件的方法，其特征在于，在所述锗区域生长前，硅片进行表面预处理以提高所述锗区域的结晶质量。

技术总结本申请涉及硅光子器件领域，公开了一种用于硅基光子卷积乘法运算的感光器件及其制备方法，所述感光器件包括一个硅基波导结构，设计用于传输光信号；至少一个锗区域，位于所述硅基波导结构的上方，并与之耦合，用于对通过所述硅基波导结构的光信号进行调制。本发明利用硅波导结构传输光信号，结合锗区域的感光效应对光信号进行高效调制，通过锗区吸收空间光，引起锗区载流子分布改变，再通过倏逝耦合影响锗区下的硅波导折射率，引起硅波导中的模式光相位和幅度的改变，从而实现空间光信息加载，实现卷积乘法运算功能，适用于高速光通信和光学信号处理领域。技术研发人员：王鹏,鹿利单,祝连庆,董明利,陈光,陈伟强受保护的技术使用者：北京信息科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5