忆阻器及其使用方法

摘要

本发明实施例提供一种忆阻器及其使用方法，所述忆阻器包括：微环谐振腔、光波导以及电极，其中，所述微环谐振腔位于所述光波导平面内，由具有三阶非线性的材料加工而成；所述光波导包括第一通道和第二通道，所述第一通道用于输入泵浦光，所述第二通道用于输出光；所述电极位于所述微环谐振腔上，用于向所述微环谐振腔施加电压。本发明实施例提供的忆阻器及其使用方法，可以实现更高的消光比、降低功耗并且与现有的光子集成方案兼容，更适合未来大规模集成，并实现高效的光存储。

权利要求

1.一种忆阻器，其特征在于，包括：

微环谐振腔、光波导以及电极，其中，

所述微环谐振腔位于所述光波导平面内，由具有三阶非线性的材料加工而成；

所述光波导包括第一通道和第二通道，所述第一通道用于输入泵浦光，所述第二通道用于输出光；

所述电极位于所述微环谐振腔上，用于向所述微环谐振腔施加电压。

2.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述微环谐振腔采用光子集成平台加工而成。

3.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述光波导具体为单条形光波导。

4.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述光波导具体为双条形光波导。

5.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述具有三阶非线性的材料具体为氮化硅。

6.根据权利要求1所述的忆阻器，其特征在于，所述具有三阶非线性的材料具体为硅。

7.一种如权利要求1至6任一所述的忆阻器的使用方法，其特征在于，包括：向所述光波导的第一通道输入泵浦光；其中，所述泵浦光的波长与所述忆阻器的固有谐振波长临近或相同，所述泵浦光的光功率处于所述忆阻器的预设光功率范围内；

向所述电极施加输入电压；其中，首先将所述输入电压从所述忆阻器预设的第一临界电压，逐渐增大至所述忆阻器预设的第二临界电压，然后，再将所述输入电压从所述第二临界电压，逐渐减小至所述第一临界电压，此时，所述忆阻器的谐振波长与所述泵浦光的波长相同。

说明书

忆阻器及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明实施例涉及光电子技术和光纤通信技术领域，尤其涉及一种忆阻器及其使用方法。

背景技术

[0002] 忆阻器在1971年被华裔科学家蔡少棠预言，但是始终没有被物理实现，直到2008年惠普实验室在自然杂志上首次实验证实其存在。至此，忆阻器引发了广泛的关注。由于其具有的非易失性记忆功能，可以实现电阻式随机存储内存(RRAM)也就是存储电阻，相对于传统的动态存储内存(DRAM)来说具有更长的记忆时间，减少了刷新的次数，有可能未来实现下一代的非易失性的存储器，并取代现有的闪存存储器。而且，利用电光非线性作用效果，可以实现许多复杂的模拟计算过程，比如，混沌现象以及储备池计算等。目前已有研究表明，忆阻器混沌电路可以产生高频的混沌信号，在混沌的保密通信、电子测量、图像加密等领域具有重要的应用。

[0003] 传统的电子忆阻器通常采用金属-绝缘层-金属的结构，通过调节两个金属层之间的电压来改变电阻，实现低阻态和高阻态。近年来，随着光子技术的发展，一些基于光子辅助的忆阻器引发人们的关注。这种基于光读取的存储器是光通信系统中关键的下一代光存储器件，很有可能可以代替现有的电子缓存器。

[0004] 然而，在近些年，利用等离子体激元工艺实现的光读取的记忆存储单元，虽然尺寸小巧，但是消光比却有限，并且需要有比较高的电功耗来实现相移。而且，工艺与现有光子集成平台兼容性较差，并不适合未来光子计算、光子存储领域的大规模集成。

发明内容

[0005] 针对现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种忆阻器及其使用方法。

[0006] 一方面，本发明实施例提供一种忆阻器，所述忆阻器包括：

[0007] 微环谐振腔、光波导以及电极，其中，

[0008] 所述微环谐振腔位于所述光波导平面内，由具有三阶非线性的材料加工而成；

[0009] 所述光波导包括第一通道和第二通道，所述第一通道用于输入泵浦光，所述第二通道用于输出光；

[0010] 所述电极位于所述微环谐振腔上，用于向所述微环谐振腔施加电压。

[0011] 另一方面，本发明实施例提供一种上述忆阻器的使用方法，所述方法包括：

[0012] 向所述光波导的第一通道输入泵浦光；其中，所述泵浦光的波长与所述忆阻器的固有谐振波长临近或相同，所述泵浦光的光功率处于所述忆阻器的预设光功率范围内；

[0013] 向所述电极施加输入电压；其中，首先将所述输入电压从所述忆阻器预设的第一临界电压，逐渐增大至所述忆阻器预设的第二临界电压，然后，再将所述输入电压从所述第二临界电压，逐渐减小至所述第一临界电压，此时，所述忆阻器的谐振波长与所述泵浦光的波长相同。

[0014] 本发明实施例提供的忆阻器及其使用方法，通过使用具有高Q值、高消光比的微环谐振腔实现电信号输入，光电流读取的忆阻器效应。通过利用具有高Q值、高消光比的微环谐振腔中的高非线性，可以实现更高的消光比，通过合理设置输入光波长位置，可以有效降低电信号偏置电压的需求，从而降低功耗，通过采用通用的光子集成平台加工器件，并采用了集成平台中重要的基本单元——微环谐振腔实现其功能，与现有的光子集成方案兼容，更适合未来大规模集成，并实现高效的光存储。

附图说明

[0015] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0016] 图1为本发明实施例提供的基于微环谐振腔的电信号输入，光电流读取的忆阻器的结构示意图；

[0017] 图2为本发明实施例提供的基于氮化硅的高Q微环谐振腔的电信号输入，光电流读取的忆阻器的结构示意图；

[0018] 图3为本发明实施例提供的基于微环谐振腔的电信号输入，光电流读取的忆阻器原理图；

[0019] 图4为本发明实施例提供的忆阻器特性随着输入泵浦光功率的变化曲线图；

[0020] 图5为本发明实施例提供的忆阻器的使用方法的流程图。

具体实施方式

[0021] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0022] 图1为本发明实施例提供的基于微环谐振腔的电信号输入，光电流读取的忆阻器的结构示意图，如图1所示，所述忆阻器包括：微环谐振腔11、光波导12以及电极13，其中，[0023] 所述微环谐振腔11位于所述光波导12平面内，由具有三阶非线性的材料加工而成，因此，加工而成的微环谐振腔11在泵浦光的激励下，可以产生三阶非线性效应，此外，所述微环谐振腔11的Q值很大，Q值可以达到460000，是一种高Q值微环谐振腔，而且消光比很高，消光比可以达到40dB；所述光波导12包括第一通道121和第二通道122，所述第一通道121用于输入泵浦光，所述泵浦光用于激励所述微环谐振腔11产生三阶非线性效应，所述第二通道122用于输出光，通过光电探测器进行光电转换之后，可以读取输出光的光功率或光电流；所述电极13位于所述微环谐振腔11上，用于向所述微环谐振腔11施加输入电压，通过调节输入电压的大小，可以改变所述微环谐振腔11的谐振波长的位置。

[0024] 具体地，本发明实施例提供的忆阻器，是一种基于微环谐振腔11的电信号输入，光电流读取的忆阻器，所述忆阻器包括微环谐振腔11、光波导12以及电极13，其中，微环谐振腔11是由具有三阶非线性的材料加工而成的，并且具有很高的Q值，这可以使得当在光波导12的第一通道121中，输入足够高光功率的泵浦光后，微环谐振腔11在所述泵浦光的激励作用下，产生三阶非线性效应，比如Kerr效应，该效应可以引起微环谐振腔11的谐振波长出现红移。由于，微环谐振腔11具有频率选择效应，通过调节泵浦光的波长，使其接近微环谐振腔11的固有谐振波长；在位于所述微环谐振腔11的电极13上，施加输入电压，调节输入电压的大小，可以引起所述微环谐振腔11的谐振波长发生移动，当所述谐振波长与所述泵浦光的波长一致时，可以实现最大的光功率增强。所以，当泵浦光的波长其接近微环谐振腔11的固有波长时，采用很小的输入电压，就能使得微环谐振腔11中的能量较大程度的增强，进而，增大输出光功率。此外，所述微环谐振腔11是一种具有高Q值的微环谐振腔，并且所述微环谐振腔11的消光比很高，可以达到40dB。

[0025] 图3为本发明实施例提供的基于微环谐振腔的电信号输入，光电流读取的忆阻器原理图，如图3所示，横坐标表示的归一化电压，所述归一化电压是将在电极上施加的输入电压进行处理之后所得到的，纵坐标表示的是从光波导的第二通道输出光的光功率。在光波导中的第一通道中输入泵浦光，其中，所述泵浦光的波长为λ0，泵浦光的波长λ0与微环谐振腔的固有波长很接近，在所述泵浦光的激励下，微环谐振腔中产生三阶非线性效应，比如Kerr效应，此时，在电极两端施加输入电压，微环谐振腔的谐振波长可以发生移动。如图3所示，最初，当输入电压较小时，微环谐振腔的谐振波长小于泵浦光的波长λ0，随着输入电压的增大，微环谐振腔的谐振波长发生红移，逐渐接近泵浦光的波长λ0，微环谐振腔中的能量不断增强，使得输出光功率不断增大；随着输入电压的增大，微环谐振腔的谐振波长逐渐接近泵浦光的波长λ0，微环谐振腔中的能量增强的速度越来越快，当输入电压达到第二临界电压时，微环谐振腔的谐振波长发生红移的程度加大，谐振波长发生一个跳变，导致微环谐振腔的谐振波长大于泵浦光的波长λ0；此时，若继续增加输入电压，会导致微环谐振腔的谐振波长继续发生红移，谐振波长越来越远离泵浦光的波长λ0，引起微环谐振腔中的能量逐渐减小，所以，当输入电压达到第二临界电压之后，开始逐渐减小输入电压，此时，微环谐振腔的谐振波长发生蓝移，又逐渐接近泵浦光的波长λ0，引起微环谐振腔中的能量继续增大，输出光功率也继续增大；当将输入电压减小至第一临界电压时，微环谐振腔的谐振波长与泵浦光的波长λ0一致，此时，微环谐振腔中的能量达到最大，输出光功率也最大；若继续减小输入电压，则微环谐振腔的谐振波长继续蓝移，逐渐远离泵浦光的波长λ0，导致微环谐振腔中的能量逐渐减小，输出光功率也逐渐减小。因此，从图3可以看出，随着输入电压由小增大再减小的变化，输出光功率呈现出一种迟滞回线的效应，也就是忆阻器类似的效应。由于，所选用的泵浦光的波长与微环谐振腔的固有波长很接近，所以，只需用很小的输入电压，就可以实现较大的输出光功率。

[0026] 本发明实施例提供的忆阻器，通过利用具有高消光比、高Q值的微环谐振腔中的高非线性，可以实现更高的消光比，通过合理设置输入泵浦光的光波长位置，可以有效降低电信号偏置电压的需求，从而降低功耗。

[0027] 可选的，在上述实施例的基础上，所述微环谐振腔采用光子集成平台加工而成。

[0028] 可选的，在上述各施例的基础上，所述光波导具体为单条形光波导。

[0029] 可选的，在上述各例的基础上，所述光波导具体为双条形光波导。

[0030] 具体地，上述实施例中提及的微环谐振腔，在加工过程中采用的是通用光子集成平台，比如可以采用TriPleX波导工艺提供的光波导，实现了一个Q值达到460000的具有上下两个通路的微环谐振腔(add-drop型)，所述TriPleX波导工艺与现有的光子集成方案兼容，因此，适合进行大规模集成，所述光波导可以是单条形光波导，也可以是双条形光波导，只要可以输入泵浦光，并且可以读取输出光的光功率或者光电流即可，对于光波导的结构，本发明实施例不对其做出限定。

[0031] 本发明实施提供的忆阻器，通过采用通用的光子集成平台加工器件，并采用了集成平台中重要的基本单元——微环谐振腔实现其功能，与现有的光子集成方案兼容，更适合未来大规模集成，并实现高效的光存储。

[0032] 可选的，在上述各施例的基础上，所述具有三阶非线性的材料具体为氮化硅。

[0033] 可选的，在上述各施例的基础上，所述具有三阶非线性的材料具体为硅。

[0034] 具体地，上述各实施例中提及到的微环谐振腔，是由具有三阶非线性的材料加工而成的，其中，具有三阶非线性的材料有很多，本发明实施例不对其做出限定，比如，所述材料可以是氮化硅，也可以是硅，只要具三阶非线性就可以。

[0035] 图2为本发明实施例提供的基于氮化硅的高Q微环谐振腔的电信号输入，光电流读取的忆阻器的结构示意图，如图2所示，所述微环谐振腔是采用氮化硅材料加工而成的，并且具有很高的Q值。其中，微环谐振腔的半径为125μm，光波导的宽度为1.2μm，所述光波导与微环谐振腔的间距为2μm，其中，光波导的输入端用于输入泵浦光，光波导的输出端用于进行光读取，读取输出光的光功率或者光电流，采用氮化硅材料加工而成的微环谐振腔，在泵浦光的激励下，可以产生非线性效应，电极位于微环谐振腔上，用于施加电信号，比如，可以施加输入电压。通过调节输入电压的大小，该微环谐振腔的谐振波长会发生红移或蓝移，使得输出光功率呈现出迟滞回线的效应。

[0036] 本发明实施例提供的忆阻器，通过采用具有三阶非线性的氮化硅或硅来加工微环谐振腔，使得本发明实施例更加科学、更加合理。

[0037] 图4为本发明实施例提供的忆阻器特性随着输入泵浦光功率的变化曲线图，图5为本发明实施例提供的忆阻器的使用方法的流程图，如图5所示，所述方法包括：

[0038] 步骤51、向所述光波导的第一通道输入泵浦光；其中，所述泵浦光的波长与所述忆阻器的固有谐振波长临近或相同，所述泵浦光的光功率处于所述忆阻器的预设光功率范围内；

[0039] 步骤52、向所述电极施加输入电压；其中，首先将所述输入电压从所述忆阻器预设的第一临界电压，逐渐增大至所述忆阻器预设的第二临界电压，然后，再将所述输入电压从所述第二临界电压，逐渐减小至所述第一临界电压，此时，所述忆阻器的谐振波长与所述泵浦光的波长相同。

[0040] 具体地，本发明实施例提供的忆阻器，加工完成之后，会有一组对应的参数列表，所述参数列表包括：泵浦光的波长值、泵浦光的光功率取值范围、第一临界电压以及第二临界电压。其中，所述泵浦光的波长值与微环谐振腔固有的谐振光波长接近或相同，这样，在电极上施加较小的输入电压，就可以实现较大的光功率增强，由于泵浦光的波长和微环谐振腔的固有谐振波长的非常接近，因此，所需的输入电压很小；所述泵浦光的光功率取值范围，是指当泵浦光的光功率在该范围内取值时，可以激发出微环谐振腔中的三阶非线性效应，使得微环谐振腔的谐振波长可以发生移动，进而，通过调节输入电压的大小，就可以使得输出光功率呈现出迟滞回线效应，如图4所示，横坐标表示输入电压的值，纵坐标表示输出光的光功率，图4中的各条曲线对应的是泵浦光的光功率取不同值时，输出光功率呈现出的迟滞回线效应，如图4所示，当泵浦光的光功率取21dBm时，输出光功率就可以呈现出迟滞回线效应，当泵浦光的光功率逐渐增大至23dBm、25dBm、27dBm和30dBm时，输出光功率的迟滞回线效应越来越明显；所述第一临界电压是指，在输入电压由大减小的过程中，当减小至所述第一临界电压时，微环谐振腔的谐振波长与泵浦光的波长相同，此时，可以得到最大的输出光功率；所述第二临界电压是指，当输入电压由小增大的过程中，当增加至该第二临界电压的时候，若继续增大输入电压，光波导的输出光功率开始减小。

[0041] 上述忆阻器使用方法，包括如下步骤：首先，按照上述参数列表，选择泵浦光的波长和光功率；然后，将该泵浦光输入到光波导的第一通道，在泵浦光的激励下，微环谐振腔中产生三阶非线性效应；在电极上施加输入电压，先将所述输入电压从靠近但小于所述第一临界电压逐渐增加到所述第二临界电压，在此过程中，输出光功率会逐渐增大；然后，开始逐渐减小所述输入电压的值，将其逐渐减小至所述第一临界电压，在此过程中，光波导中的输出光功率继续增大，将输入电压减小至所述第一临界电压时，输出光功率达到最大，在上述输入电压的变化过程中，输出光功率会呈现出一种迟滞回线效应，也就是具有了忆阻器效果。

[0042] 本发明实施例提供的忆阻器的使用方法，通过输入泵浦光和调节施加电压的大小，可以实现忆阻器的功能。

[0043] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的实施例各实施例技术方案的范围。