[发明专利]高集成度低损耗的光子卷积计算单元及光子卷积计算芯片

说明书

本发明提供了一种高集成度低损耗的光子卷积计算单元，包括：衬底，以及在衬底上沉积的包覆层；在所述包覆层内沉积侧波导和光子晶体纳米梁；其中，在所述侧波导与所述光子晶体纳米梁的耦合区域，所述侧波导偏离所述光子晶体纳米梁的一侧沉积一凸出部，使所述侧波导形成T型波导。本发明在侧波导与光子晶体纳米梁耦合区域，侧波导偏离光子晶体纳米梁的一侧沉积一凸出部，使侧波导形成T型波导提供离散态，从而实现Fano共振线形谱线，可以有效降低光子卷积计算芯片的损耗，实现低损耗卷积池。

技术领域

本发明涉及光子计算技术领域，特别是涉及一种高集成度低损耗的光子卷积计算单元及光子卷积计算芯片。

背景技术

随着国家用电量的增加，我国的电网线路越来越复杂，国家电网对绝缘子目标的探测与智能识别要求越来越高，我们需要提高绝缘子图像目标识别准确度及响应度，促进国家电力供应的稳定性。卷积神经网络(Convolutional Neural Network，CNN)在图像识别领域有着很好的应用，而得益于硅光子技术的不断成熟，光子卷积神经网络得到了发展，其具有快速响应低功耗的同时，具有小型化和高级程度的优势。

随着人工智能时代对超大数据集计算的需求，需要更加高集成度的光子卷积计算单元，组成卷积池。目前的光子卷积计算单元一般为微环谐振腔(Micro-ring resonator,MRR)型，基于微环型的器件虽然可以做到μm级别，但其受到其自由光谱范围(Freespectrum range,FSR)限制，很难大规集成。

光子晶体纳米梁(photonic crystal nanobeam,PCN)在C波段中具有超大FSR(自由光谱范围)，可以在进行大规模复用，并且其尺寸远小于MMR型，实现高集成度的卷积池。

现有的光子卷积计算单元为侧波导耦合光子晶体纳米梁，形成的光子晶体纳米梁腔(photonic crystal nanobeam cavity,PCNC)结构，如图1所示现有技术中光子卷积计算单元的示意图，图2所示图1中A-A的剖视图，光子卷积计算单元包括衬底1，以及在衬底1上沉积的包覆层2，侧波导3和光子纳米梁腔4，在包覆层2内沉积侧波导3和光子晶体纳米梁4，在光子纳米梁腔4上开设半径渐变的圆孔401，包覆层2的上表面，位于侧波导3与光子晶体纳米梁4的耦合区域沉积Ti加热器5。如图3所示现有技术中光子卷积计算单元输出的光谱示意图，现有技术中的上述光子卷积计算单元输出的光谱是具有尖锐的谐振峰，该结构虽然也可以作为光子卷积计算单元，但其所需要的调制功耗更高。

发明内容

为了解决现有技术中光子卷积计算单元集成度低、功耗高的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种高集成度低损耗的光子卷积计算单元，所述光子卷积计算单元包括：衬底，以及在衬底上沉积的包覆层；在所述包覆层内沉积侧波导和光子晶体纳米梁；

其中，在所述侧波导与所述光子晶体纳米梁的耦合区域，所述侧波导偏离所述光子晶体纳米梁的一侧沉积一凸出部，使所述侧波导形成T型波导。

优选地，所述衬底的厚度为2微米，所述包覆层的厚度为4.72微米；

所述侧波导和所述光子晶体纳米梁的厚度为220纳米；所述凸出部的厚度为220纳米。

优选地，所述凸出部的宽度为450纳米，长度为450纳米。

优选地，所述光子晶体纳米梁半径渐变的圆孔的渐变周期26，渐变常数为330纳米；

所述光子晶体纳米梁半径渐变的圆孔的中心圆孔半径为40纳米，所述光子晶体纳米梁半径渐变的圆孔的边侧圆孔半径为110纳米。

优选地，所述包覆层的上表面，位于所述侧波导与所述光子晶体纳米梁的耦合区域沉积Ti加热器。

本发明的另一个目的在于提供一种高集成度低损耗的光子卷积计算芯片，所述光子卷积计算芯片包括本发明提供的一种高集成度低损耗的光子卷积计算单元阵列形成的卷积池阵列。