GaN基光致突触芯片研究

发布时间：2020-10-19 20:40

【摘要】：GaN材料因其优异的光电转化性能在现代可见光通信领域发挥着至关重要的作用,其制作的LED器件具有体积小、低功耗、发光效率高和响应速度快等优点。本文从光致突触神经元器件出发,探索光信号代替传统的电信号来实现突触间刺激的传递的机制,设计并制备出了基于InGaN/GaN多量子阱的高性能薄膜LED,开展GaN基光致突触突触芯片的研究。首先,基于InGaN/GaN多量子阱二极管器件在发光和探测方面的双重功能,通过波导将LED和探测器连接起来,设计出一种单发射端神经元器件,探索光致突触的感知能力。实验证实,该器件能够同时接收片内和片外的光信号,再根据不同信号的特性加以区分。其次,利用多发射端的InGaN/GaN多量子阱二极管器件,探索当多个突触前端同时发送刺激信号时,突触后端的时空相关性,通过空时叠加分析类脑器件记忆功能的原理。实验结果表明,当三个输入端分别发送不同的重复周期信号时,在突触后端由于空时叠加的特性使得接收到的信号幅度明显增强,并产生周期性的共振现象,这种现象表明不同突出前输入信息号之间具有时空相关性;突触后EPSV幅度的增强使得EPSV信号的持续时更长,即记忆时间更长。最后,探索光致突触器件逻辑计算功能。利用一个多发射端器件,探索其在空间叠加、空时叠加时的逻辑实现方案。实验结果表明,加上合适的判决门限后,光致突触器件不仅能够实现“或”、“与”等简单的逻辑功能,还能够实现更加复杂的多电平逻辑判决,这表明该器件在大规模集成后具有实现复杂逻辑计算潜能。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN312.8;TN40
【图文】：

邮电大学硕士研究生学位论文 第二章 GaN 基光致突触芯片的设计、仿真与制备，还是有局部光指向有上倾和下倾两种可能，即波矢量k 不是唯一确定的，波矢量在 的分量是1 1 0cosxK n K ，其中有两个值是不确定的。然而波矢量在 z 方向的分量确一确定的1 1 0sinzK n K ，这个量在光线传播过程可以看作成一个不变量，一般称之为常数，用 来表示1 0 1 0 n K sin n Kcos (2.1)因为光在波导中传播要想保证传播质量就必须要满足全反射条件，即2 1sin n n，所 必须满足以下条件2 0 1 0n K n K(2.2

图 2.2 直波导的 Rsoft 仿真结果.3 是对一个激光器器件的 BPM 仿真结果图，以波长为 452nm 的高斯光作为光源波导的传输特性进行了仿真。图 2.3(a)展示的是光在波导中传播的场分布仿真40μm 长的锥形波导将片内发的光从 10μm 宽的 InGaN 波导引至 4μm 宽的传输中可以看出在定向耦合器处产生明显光耦现象。图2.3(b)、(c)、(d)、(e)分别是在Z=、Z=230μm、Z=335μm 时，X-Y 平面场分布图。对比图(b)和图(c)可以看出，相m 的波导，高斯光沿着宽度为 4μm 的波导传播时在底板上沿着水平方向传播的利于定向耦合器的光耦合，同时也可以看出光沿着水平方向传播是逐渐衰减的出当光传播到 Z=230μm 时，通过底板从光输入波导传输到耦合波导，实现了光以清晰的看出在 Z=335μm 时，光完全通过耦合波导在传输。图(f)是耦合距离从 1耦合效率仿真图，可以看出随着耦合距离的增大，耦合效率在不断下降，这和场分布图相吻合。两种仿真结果来看，BPM 和 FullWAVE 两种仿真模式对于简单直波导来说没有

一个耦合波导的传输特性进行了仿真。图 2.3(a)展示的是光在波导中传播的场分布仿真 X-Z平面图，40μm 长的锥形波导将片内发的光从 10μm 宽的 InGaN 波导引至 4μm 宽的传输波导中，从图中可以看出在定向耦合器处产生明显光耦现象。图2.3(b)、(c)、(d)、(e)分别是在Z=1μm、Z=100μm、Z=230μm、Z=335μm 时，X-Y 平面场分布图。对比图(b)和图(c)可以看出，相比宽度为 10μm 的波导，高斯光沿着宽度为 4μm 的波导传播时在底板上沿着水平方向传播的更明显，更有利于定向耦合器的光耦合，同时也可以看出光沿着水平方向传播是逐渐衰减的。图(d)可以看出当光传播到 Z=230μm 时，通过底板从光输入波导传输到耦合波导，实现了光耦合。图 (e)可以清晰的看出在 Z=335μm 时，光完全通过耦合波导在传输。图(f)是耦合距离从 1.5 μm到 4μm 的耦合效率仿真图，可以看出随着耦合距离的增大，耦合效率在不断下降，这和图(c)光传播的场分布图相吻合。结合两种仿真结果来看
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本文编号：2847702