基于石墨烯混合等离激元波导的电可调非线性传输特性及其在神经形态激活函数中的应用

本文创新性地设计了硅光平台上集成的石墨烯混合等离激元波导电吸收调制器（EAM），利用表面等离激元极化子（SPPs）增强光与物质相互作用，实现了具有Sigmoid形态非线性激活功能的光子神经元器件。该器件通过电调石墨烯费米能级实现自由载流子吸收调制，在微米级尺寸下获得高动态范围，为光子神经网络（ONNs）提供了低功耗、高集成度的非线性解决方案，并在MNIST和CIFAR-10图像分类任务中验证了其高精度计算潜力。

　　

Structure and principle

图1(a)展示了我们器件的三维结构示意图，二维示意图见图1(b)-(c)。该器件基于220纳米厚绝缘体上硅（SOI）平台制备，硅条形波导尺寸固定为500纳米宽×220纳米高。混合硅-金等离激元波导结构通过局域增强光场与石墨烯的相互作用，实现高效电光调制。

Results and discussion

电吸收调制器通过电调石墨烯费米能级满足泡利阻塞条件（即E_F > ?ω/2，其中?ω代表目标波长光子能量）。石墨烯在光频段的复表面电导率σ(ω, E_F, Γ, T)由久保公式描述：

σ(ω, E_F, Γ, T) = [ie2(ω-2iΓ)]/(π?2) × [ ∫?^∞ ξ(?f_d(ξ)/?ξ - ?f_d(-ξ)/?ξ)dξ - ∫?^∞ (f_d(-ξ)-f_d(ξ))/((ω-2iΓ)2-4(ξ/?)2) dξ ]

其中f_d(ξ) = [e^{(ξ-E_F)/k_BT} + 1]^-1

该参数综合包含了带间和带内跃迁的量子效应，展现了石墨烯在光调制中的独特电子行为。

Conclusion

我们展示了一种基于等离激元狭缝波导结构的石墨烯电吸收调制器，可作为光子集成电路神经网络中光子神经元的电光非线性功能模块。研究揭示了石墨烯材料中自由载流子吸收的动态特性，通过利用表面等离激元极化子的亚波长局限和场增强特性，实现了增强的调制效率和紧凑的器件尺寸。