全光控制光波导神经元脉冲耦合效应及树突编码器件的研究

提出了一种全新的导波光学类型的光控脉冲耦合神经元器件及其动作机制和制备方法，改造并利用硫系非晶态玻璃中反常电子组态提供的隙内能级布局，创造性地将包含了光子密度效应和光猝息作用的非饱和Optical Stopping所表现的光粒子性操作和分支模式耦合表现的光波动性操作在波导载体上有机结合起来，预期达到的效果是可以实现神经元脉冲耦合要求的几乎所有功能操作。结合器件构造特征和制备技术提供的可行性依据来看，该创新工作的重要价值体现在预期成果可望用于实现大规模的器件并行排列同基集成，并通过光纤或软波导互联方法构造稳定可靠的光学PCNN大规模神经元集群，为研发光学仿生物脑神经元生理－电活动规律的仿生学机器视觉系统提供有潜力的新途径。项目围绕这个课题，在器件设计和仿真、制备工艺方法、模式耦合和动态阈值判别、单项效应优化和匹配、器件试制技术和组合效应的实现方法等五个方面展开应用基础研究。

项目目标是研究一种新的脉冲耦合构成和动作机制，将光阻断效应表现的光粒子性和分支模式耦合表现的光波动性在光波导载体上结合起来，用全光学方式实现输入作用脉冲与输出同步脉冲之间的脉冲耦合动力学过程和编码功能。技术路线围绕硫化砷-玻璃复合波导及其光学回路的设计和制备、光学反相非对称输入的分支模式耦合、非饱和光阻断效应和光子密度效应的组合匹配等展开。项目实施包括，结合复合波导的光学反相非对称输入的分支模式耦合效应的优化及其结构设计；器件制备工艺；波导分支模式耦合与阈值判别的匹配、非饱和光阻断效应的优化、脉冲累积、动态阈值以及脉冲泄放的匹配控制；与光学反相非对称输入的波导分支模式耦合以及非饱和光阻断效应和光子密度效应的组合作用有关的、全光控制脉冲耦合效应及其编码功能的实现等五个方面。取得的成果表明，采用多模干涉型复合条波导可以有效实现非饱和光阻断效应，该复合条波导由B270玻璃上制备的截止波导以及覆盖在截止波导上的硫化砷薄膜构成，优化设计可以为制备工艺提供充分的参数允差，用常规的二次离子交换技术、光刻技术和真空镀膜技术的组合流程可以实现样品制备。非饱和光阻断效应的物理模型可以用硫化砷非晶态材料的反常电子组态表征的缺陷能级及其负相关能作用来描述，非饱和光阻断效应的动力学过程归结为极化子自陷态电子的积累和泄放，涉及带隙光抽运、信号光抽运、室温退激、以及极化子自陷能级的反复俘获等导致电子组态转移的非线性相互作用。建立的动力学方程很好地拟合了实验测试结果，在非饱和光阻断效应作用机制的解析、尤其是在阻断响应和回复响应的定量分析等方面发挥了重要作用。研制的光波导脉冲耦合器样品结合了复合波导的非饱和光阻断效应和分支波导的模式耦合原理，借助光粒子性和光波动性的有机结合，用全光学方式实现了输入脉冲与输出同步脉冲之间的脉冲耦合动力学作用。研究成果指出，由阈值水平决定的脉冲耦合动态范围与两支相干信号光的功分比有关，由回复响应决定的脉冲耦合频率与极化子自陷态电子浓度的积累有关，由激发态电子的退激速率决定的脉冲耦合锯齿波的分辨率与信号光相对于带隙光的功率占比有关，涉及光子密度效应和光猝息作用。研发的光波导脉冲耦合器抓住了这些要点，实验验证了可在线调节信号光功分比、自陷态电子浓度的积累时间和信号光相对于带隙光的功率占比等参数的可行性，脉冲耦合器具备可在线调制的特性在构造脉冲耦合神经元时有重要作用。