基于混合波的计算制造技术

一种被配置用于执行基于波的计算的基于无源光子波的计算系统，该系统包括混合单元，该混合单元包括多个输入和多个输出，该混合单元是腔并且进一步被配置用于：在该腔中将经由所述至少一个输入接收到的光束朝向所述多个输出中的至少一个输出散射或反射平均至少三次。

Calculation based on mixed wave

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于混合波的计算专利
本专利技术涉及基于光波的计算领域。更具体而言，本专利技术涉及使用混合单元以低损耗进行基于光波的计算的方法和系统。专利技术背景人们越是被大数据淹没，就越让计算机接管数据处理。因此，机器学习是当前计算机科学和统计中发展最快的学科之一。然而，大部分这种处理仍发生在高耗电计算机上的软件中。替换的硬件实现是专门被设计用于高效光学计算的所谓的储层计算机(ReservoirComputer)。储层计算是专注于时间相关数据的处理的机器学习分支。它最初是在2000年代早期作为使用具有内部反馈的未经训练神经网络结合经训练的线性读出层来执行对时间数据的分类的方法而提出的。通过所谓的递归网络中的非线性节点的反馈执行对信号的非线性混合，并向系统提供衰退存储器。2014年已由KristofVandoorne等人在Naturecommunications5(自然通信第5卷)(2014)中提出了基于相同储层计算原理的无源光子储层计算机。然而，所提出的实现受到来自与系统中所使用的组合器序列相关联的3dB损耗的基本缩放限制。无源光子储层可被用于多种应用。然而，储层可以执行的任务的复杂度取决于组成该储层的神经元数目，这些损耗也限制了可以执行的任务的复杂度，并且因此仍有改进的空间。
技术实现思路
本专利技术的各实施例的目的是基于混合单元提供显示出低损耗的高效的基于无源光子波的计算方法和系统。本专利技术涉及一种被配置用于执行基于波的计算的基于无源光子波的计算系统，该系统包括混合单元，该混合单元是包括至少一个输入和多个输出的腔，该混合单元进一步被配置用于：在腔中将经由所述至少一个输入接收到的光束朝向所述多个输出中的至少一个输出反射或散射平均至少三次。混合元件可以是光子晶体腔，或者可以是基于散射的混合单元。要注意，混合单元通常可以显著大于波长或大于波长的数量级。混合单元可以比将与该系统联用的波长至少大5倍。该至少一个输入可以是多个输入。混合单元具有多个输出。此类输出可以例如使用加权和求和进行组合，以使得整个基于波的计算系统可以仅有单个输出。本专利技术的各实施例的优点在于，混合单元允许提供对输入辐射的良好混合，而不会发生大的损耗。后者是通过避免使用系统中的至少一些组合器和分离器并且替代地使用混合单元来获得的。在本专利技术的实施例中引用腔的情况下，引用的是光子器件中通常填充有透明材料的区域，该区域对于系统可以对其使用的辐射的波长而言是透明的，并且在边缘包括反射元件，例如，反射壁。混合单元可以被配置在基于无源光子波的计算系统中，以使得其充当用于辐射信号的衰退存储器。混合单元可以是包括多个反射壁的腔，以使得来自输入的辐射在多次反射之后最终将到达输出端口。混合单元可以是光子晶体腔。混合单元可以具有四分之一体育场的形状。输入和/或输出波导可以通过绝热锥形体连接到混合单元。混合单元可以是由硅制成的腔，其中铁电薄膜被涂敷在该腔上，其中混合单元是由硅棒制成的光子晶体腔，其中在中间引入非线性聚合物，或者其中该腔由III-V材料制成。该系统可以包括在分层布置中耦合的多个混合单元。腔可以是由具有气孔的硅制成的光子晶体腔。在分层布置中耦合的混合单元例如可以包括：负责输入信号中的较低级特征的第一混合单元；以及用于负责较高级特征的其他(诸)腔。混合单元可以包括散射对象的随机集合。散射对象可以是散射柱。散射对象的随机集合可以被放置在腔中。腔可以由氮化硅形成，并且散射柱可以由二氧化硅制成。本专利技术还涉及一种用于执行基于光子波的计算的方法，该方法包括：将光学输入信号施加到作为腔的混合单元的一个或多个输入，允许光学信号在混合单元中传播，所述传播包括：在腔中将经由所述至少一个输入接收到的所述光学信号朝向多个输出中的至少一个输出反射或散射平均至少三次，以及由此在所述多个输出中的至少一个输出中获得非线性读出。非线性读出是在被检测器检测到之后获得的。在本专利技术的至少一些实施例中，严格来说，所执行的方法不是常规的储层计算技术，而是该概念的某种空间变型，这是因为输入是静态的。在本专利技术的各实施例中，通常不使用时间相关信号。此外，该方法可以包括以离散的时间间隔对信号进行采样以将信号组合成单个输出信号。在所附独立和从属权利要求中阐述了本专利技术的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征恰适地组合，而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的。参考下文描述的(多个)实施例，本专利技术的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。附图简述图1解说了根据本专利技术的实施例的混合单元，该混合单元包括具有多个输入和输出连接器的光子晶体腔。图2a和图2b解说了根据本专利技术的实施例的针对具有9个或5个连接波导的腔的脉冲衰减。图3解说了根据本专利技术的实施例的Q因子和T1/2随着出射波导数目增加的谐波衰减。图4解说了根据本专利技术的实施例的以离散时间间隔对检测到的信号的采样。图5解说了根据本专利技术的实施例的包括多个散射体的混合单元。图6a到6c解说了根据本专利技术的示例性实施例的散射体对入射辐射信号的影响。图7解说了作为延迟的函数的BER。图8a描述了针对9个连接波导与5个连接波导的误差。图8b描述了在100Gps下以及针对SNR＝3的最佳延迟(1.55比特周期)的目标和预测比特流。图9a解说了基于波的计算系统可以区分多达4个比特而没有误差，并且图9b解说了对于5比特长度的报头，每个报头的平均误差率仍然远低于5％，从而解说了本专利技术的实施例的优点。图10解说了如可以在本专利技术的各实施例中使用的用于分辨不同报头的线性判别分析。图11示出了根据本专利技术实施例的具有连接波导的光子晶体腔。(a)腔中场分布的快照。通过检查场分布可以清楚地观察到信号的混合。(b)入射波导的特写。可以在波导-W1转变处观测到一些散射损耗。图12示出了根据本专利技术实施例的示例中的仿真的框图。图13示出了作为特定50Gbps比特序列输入的结果而在至少两个出射波导处检测到的波形(a)，从而解说了本专利技术的实施例的特征。每个比特周期对输出采样一次。还表明，在读出之后，预测近似期望的XOR目标(b)。预测和目标通过根据0.8比特周期的最佳等待时间将该预测在时间上向后移位来对准。图14示出了经由输出波导离开腔的累积功率总计达系统中引入的总能量的大约83％，对应于0.8dB损耗，从而解说了根据本专利技术的实施例的示例的特征。图15示出了在50Gbps下两个相邻比特的XOR(异或)和AND(与)可以容易地由根据本专利技术的实施例的储层来执行。等待时间表示相对于输入的时间移位，在该时间移位之后输出应当给出期望值。bnXORbn-1的正确结果可以被保留直至一新比特被送入，而两个比特的AND可以被保留直至2个新比特被送入。由于BER在10-3处被裁剪，因此通过查看均方误差(MSE)可以看到输出持续近似目标函数的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种被配置用于执行基于波的计算的基于无源光子波的计算系统，所述系统包括混合单元，所述混合单元包括至少一个输入和多个输出，/n所述混合单元是腔，所述腔进一步被配置用于：在所述腔中将经由所述至少一个输入接收到的光束朝向所述多个输出中的至少一个输出反射或散射平均至少三次。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170529 EP 17173179.71.一种被配置用于执行基于波的计算的基于无源光子波的计算系统，所述系统包括混合单元，所述混合单元包括至少一个输入和多个输出，
所述混合单元是腔，所述腔进一步被配置用于：在所述腔中将经由所述至少一个输入接收到的光束朝向所述多个输出中的至少一个输出反射或散射平均至少三次。


2.如权利要求1所述的基于无源光子波的计算系统，其特征在于，所述混合单元被配置在所述基于无源光子波的计算系统中以使得所述混合单元通过以下操作充当用于辐射信号的衰退存储器：在所述腔中将接收到的光束反射或散射平均至少5次，例如平均至少10次。


3.如前述权利要求中任一项所述的基于无源光子波的计算系统，其特征在于，所述混合单元是包括多个反射壁的腔，以使得来自所述输入的辐射在多次反射之后最终将到达输出端口。


4.如前述权利要求中任一项所述的基于无源光子波的计算系统，其特征在于，所述混合单元是光子晶体腔。


5.如前述权利要求中任一项所述的无源光子计算系统，其特征在于，所述混合单元具有四分之一体育场的形状。


6.如前述权利要求中任一项所述的基于无源光子波的计算系统，其特征在于，输入波导和/或输出波导通过绝热锥形体连接到所述混合单元。


7.如前述权利要求中任一项所述的基于无源光子波的计算系统，其特征在于，所述混合单元是由硅制成的腔，其中铁电薄膜被涂敷在所述腔上，或者所述混合单元是由硅棒制成的光子晶体腔，其中在中间引入非线性聚合物，或者其中所述腔由III-V材料制成。


8.如前述权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·比安斯特曼，F·拉波特，A·卢格南，
申请(专利权)人：根特大学，IMEC非营利协会，
类型：发明
国别省市：比利时;BE