一种动态可调控的多模干涉耦合器、设计方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种动态可调控的多模干涉耦合器，包括耦合器本体，该耦合器本体包括支撑衬底、设置在支撑衬底上的耦合器基体以及设置在耦合器基体上的多个输入波导和多个输出波导，还包括用于对所述耦合器基体的折射率进行调控的动态调控元件。本发明专利技术基于MMI耦合器，相比较MZI阵列结构，一是结构简单，只需一个光学元件(MMI)皆可实现数十个MZI组成的阵列能达到的计算能力；二是对温度变化不敏感，可以应用于温度变化较大的场合；三是带宽较宽，设计时更加灵活，适用性更强；四是对加工误差不敏感，使得加工更加简单。

【技术实现步骤摘要】
一种动态可调控的多模干涉耦合器、设计方法和应用
本专利技术涉及光学人工智能，量子计算和神经形态计算的硬件实现，具体涉及一种动态可调控的多模干涉耦合器、设计方法和应用。
技术介绍
近年来人工智能，量子计算和神经形态计算等领域取得了巨大进展，对计算硬件要求越来越高。光学芯片由于其并行计算能力和低功耗成为下一代计算硬件的重要方向之一。光学计算芯片重要的功能是执行线性计算器(线性算子)，线性算子在量子运算中充当逻辑门，在神经形态计算中充当权重和总和(突触/轴突)，在人工智能中充当矩阵乘法单元。在光域实现线性算子是热门研究领域，例如公开号为CN110197277A的专利文献公开了一种基于马赫曾德干涉仪阵列(MZI)与可变光衰减器的硬件，可实现任意矩阵乘法运算。但是，此种片上集成光路的尺寸仍然很大，单个MZI尺寸是百微米左右，需要多达十几个甚至几十个MZI组成计算矩阵，可扩展性差，控制电路复杂。基于导波多模干涉(MMI)耦合器的结构可以解决上述问题，然而MMI耦合器的传播行为取决于材料的自然折射率，需要对它进行调控。目前仍未有基于MMI的可调控光学矩阵乘法单元硬件的设计。目前的神经网络光芯片缺乏自学习能力。自学习能力要求光芯片可以在不了解详细信息的情况下进行全面的自我学习，重新配置光子芯片参数，进行不同的计算功能。当网络扩展到更大的网络时，重新配置光子芯片参数将会非常复杂和困难，因为涉及太多内部信息。因此，发展无需了解芯片内部的详细信息即可自学习的光子芯片，并且可以实现多种功能，这项技术有着重要的意义。针对以上问题，我们设计出一种可自学习，主动调控折射率的光子芯片硬件，实现如矩阵乘法在内的多种线性算子，并应用在不同领域中。
技术实现思路
本专利技术提供了一种动态可调控的多模干涉(MMI)耦合器，通过热光，电光或全光调制材料折射率，通过一个MMI耦合器即可实现可重构的线性运算，结构紧凑并且易于扩展到大规模运算。MMI耦合器拥有自学习功能，可以根据目标自行优化材料和结构参数。一种动态可调控的多模干涉耦合器，包括耦合器本体，该耦合器本体包括支撑衬底、设置在支撑衬底上的耦合器基体以及设置在耦合器基体上的多个输入波导和多个输出波导，还包括用于对所述耦合器基体的折射率进行调控的动态调控元件。支撑衬底一般选择现有的衬底材料，本专利技术没有特殊要求。所述多个输入波导和多个输出波导分别对应的设置在耦合器本体的输入端和输出端。耦合器基体的长度方向为输入波导或者输出波导所在的方向，如果假设输入波导和输出波导均在水平面方向传播(假设为x轴方向)，那么耦合器基体的宽度方向为在水平面内垂直于其长度方向的方向(为y轴方向)，耦合器基体的高度方向为垂直于水平面的方向(即为z轴方向)。针对本专利技术的方案，从z轴方向进行观察，所述支撑衬底位于底层，所述硅基体设置在支撑衬底顶面。电极的位置可以在耦合器基体上方，耦合器基体下方或者耦合器基体侧壁。电极在上方可以产生最高的平衡温度。电极在下方由于靠近衬底所以热耗散较快，平衡温度较低。电极在侧壁可以产生很大的温度梯度。当然也可以嵌入耦合器基体内部。均可根据实际适用场合以及控制精度要求进行选择。本专利技术中，结构参数比如耦合器基体的高度，宽度，长度都可以通过现有的仿真方法进行优化，使得实际的计算结果和目标差距最小，并且使得电极调控折射率效率最高。本专利技术对于耦合器基体的具体结构没有严格的限制，布置和安装动态调控元件时，均可根据耦合器基体的具体结构进行考虑和设计。MMI耦合器(基体)可以通过以下方法制备：(1)标准半导体工艺，光刻和反应离子束刻蚀；(2)紫外光刻，然后化学湿法刻蚀；(3)紫外光刻，之后蒸镀材料然后剥离。所述耦合器基体的材料为半导体比如硅，聚合物或者相变材料，本专利技术可以通过电控、热控、光控中的一种或多种实现所述折射率的调控。所述动态调控元件主要用于实现对耦合器基体的折射率分布进行动态调整。作为优选，所述动态调控元件为安装在耦合器基上的电极阵列，可通过改变温度(热控)或注入载流子(电控)来调控材料的折射率分布；或者所述动态调控元件为激励光源，通过直接光照射调控材料的折射率((光控))。如果材料是非易失的，可以撤掉外在激励，材料仍然保持在目标折射率；如果材料是易失的，那么需要持续的外在激励，使得材料稳定在目标折射率。一种上述任一技术方案所述的多模干涉耦合器的设计方法，首先对耦合器基体赋予折射率分布初始值；然后计算目标函数相对于当前折射率分布的梯度，通过反复迭代运算得到所述多模干涉耦合器的最佳折射率分布。本专利技术可以采用逆向设计方法来搜索耦合器本体区域的整个折射率空间，计算目标函数相对于折射率的梯度，通过反复迭代运算，最终得到MMI耦合器的最佳折射率分布。一种特殊的设计方法，如伴随算法(adjointmethod)，仅需要两个全场模拟便可以算出空间所有的折射率梯度。通过调控MMI耦合器的折射率空间分布，改变光波前相位，从而调控出口波导位置光的干涉，使得输出光强和目标足够接近，仅使用一个MMI耦合器来实现线性计算如矩阵乘法。多个电极组成阵列为矩阵计算的优化提供了大量的自由度。动态可调控MMI耦合器既可以用于相干光，也可以用于非相干光。相干光，指的是不同输入端口的光波具有相同的频率和相干性。不同端口的输入光可以在出口时发生干涉，电场和相位都要相加。非相干光，指的是不同输入端口的光波具有不同的频率，且不会相干。MMI耦合器可被视为光分束器，它将一个光束分成多个输出光束。在每个输出波导处，由于它们的非相干特性，可以直接将不同波长的光强直接相加。非相干光架构的优势在于，可以基于光强幅度来实现矩阵乘法，不用考虑相位。对于光调制或检测，由于相位控制的复杂要求，光强度调控比电场更容易。相干光优势在于，系统只需要单色光源即可。作为一种具体的优选方案，所述耦合器基体的高度3～6μm。所述宽度20～60μm，长度250～550μm。作为进一步优选，所述宽度25～40μm，长度400～550μm。一种光学神经网络处理器，包括若干光学神经网络层，每层光学神经网络层包括用于实现矩阵乘法的光学矩阵乘法单元和光学非线性单元，其中，所述光学矩阵乘法单元为上述技术方案中任一项所述的动态可调控的多模干涉耦合器。MMI耦合器的材料折射率动态可调，通过改变相位从而调控输出波导的分光比。通过探测输出光强，实现光学矩阵乘法器。将多个此类的光学计算单元结合，中间采用光学非线性单元(如饱和吸收)，即可实现深度学习功能。针对不同的应用，光学矩阵可以多次写入和擦除。作为优选，还包括控制单元，所述控制单元根据输入的目标函数求取所述多模干涉耦合器中动态调控元件的最佳控制参数，并通过该最佳控制参数实现对所述动态调控元件的控制。所述控制单元利用伴随算法求取所述多模干涉耦合器中动态调控元件的最佳控制参数。所述控制单元选自计算机、控制芯片、集成电路中的一种或多种。一种基于MMI耦合器的动态可调控的光学神经网络架构，有自学习能力，不需要人本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动态可调控的多模干涉耦合器，包括耦合器本体，该耦合器本体包括支撑衬底、设置在支撑衬底上的耦合器基体以及设置在耦合器基体上的多个输入波导和多个输出波导，其特征在于，还包括用于对所述耦合器基体的折射率进行调控的动态调控元件。/n

【技术特征摘要】
1.一种动态可调控的多模干涉耦合器，包括耦合器本体，该耦合器本体包括支撑衬底、设置在支撑衬底上的耦合器基体以及设置在耦合器基体上的多个输入波导和多个输出波导，其特征在于，还包括用于对所述耦合器基体的折射率进行调控的动态调控元件。


2.根据权利要求1所述的动态可调控的多模干涉耦合器，其特征在于，通过电控、热控、光控中的一种或多种实现所述折射率的调控。


3.根据权利要求1或2所述的动态可调控的多模干涉耦合器，其特征在于，所述动态调控元件为安装在耦合器基上的电极阵列或者激励光源。


4.根据权利要求3所述的动态可调控的多模干涉耦合器，其特征在于，所述电极设置在耦合器基体上方、侧壁、下方或者嵌入耦合器基体中。


5.一种权利要求1～4任一项所述的多模干涉耦合器的设计方法，其特征在于，首先对耦合器基体赋予折射率分布初始值；然后计算目标函数相对于当前折射率分布的梯度，通过反复迭代运算得到所述多模干涉耦合器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲俞睿，张紫阳，仇旻，
申请(专利权)人：西湖大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33