基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器，属于集成光电信息处理技术领域。包括输入矢量编码区和一组并行的光学矢量‑矢量乘法单元组；组成光学矢量‑矢量乘法单元组的光学矢量‑矢量乘法单元包括滤波器阵列、权重编码器阵列、波分复用区和输出平衡探测区；应用于本发明专利技术片上集成光学矩阵矢量乘法器的执行装置包括光源信号、数模转换器和模数转换器。本发明专利技术采用波分复用技术与高并行化程度的架构，使其具有较高的数据传输带宽与较低的延迟；采用非谐振型器件作为权重编码器的实现方式显著降低了编码的复杂度；采用平衡探测法可提高对微弱信号的探测灵敏度，并使本发明专利技术具有实现负权重值的调节能力。

【技术实现步骤摘要】
基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器
本专利技术涉及一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器，属于集成光电信息处理

技术介绍
在高速发展的信息化时代，云计算、物联网技术、大数据分析等各类信息技术的快速发展，对高性能计算的硬件平台提出了较高的要求。目前，信息处理技术的执行平台主要基于电子芯片，然而随着摩尔定律发展进程的变缓，集成电子芯片面临的发展瓶颈也逐渐显露，如晶体管尺寸不断缩小带来的热失控问题，将使得电子芯片性能的进一步提升受到限制；另一方面，通过增加处理器数量来提高计算吞吐量的方法，也由于系统中并行计算程序所占的比例有限而使加速比的提升受限。在这样的背景下，光计算的研究逐渐成为一个新的热点，其中的光学矩阵矢量乘法器充分利用了光固有的并行处理能力，并且在诸多计算任务中发挥着优越的性能，受到越来越多研究者的关注。光学矩阵矢量乘法器最早由J.W.Goodman等人利用自由空间光的衍射实现(参见J.W.Goodman,A.R.Dias,andL.M.Woody,"Fullyparallel,high-speedincoherentopticalmethodforperformingdiscreteFouriertransforms,"Opt.Lett.2,1-3(1978))，该团队提出的光学矩阵矢量乘法器中的输入矢量由线阵光源的强度分布编码，线阵光源发出的光经过柱面透镜扇出后，照射在空间光调制器(SpatialLightModulator，SLM)的相应像素点上，SLM对其各个像素的透射率进行调制完成矩阵元素的编码，将SLM上的光场分布再由另一柱面透镜扇入到探测器阵列上完成矩阵矢量乘法运算结果的采集。基于空间光调制的光学矩阵矢量乘法器的计算速度与矩阵大小无关，因而在面临较大维度的矩阵矢量乘法运算时具有一定的优势。然而，受限于SLM的像素数以及SLM加载矩阵调制信息的速率上限，基于空间光调制的光学矩阵矢量乘法器的性能提升也存在一定的限制。相比于自由空间光中实现的光学矩阵矢量乘法器，基于硅基光电子技术的片上集成光子芯片，不但同样可实现高并行化程度的计算架构，而且具有更高的集成度与更低的延迟时间，同时其与CMOS工艺相兼容，便于与现有的电子硬件实现光电混合集成，结合光与电在信息处理中各自具备的优势，将有望为特定计算问题提供一种更高性能的专用处理器。在神经网络、图像处理、时间序列数据处理、储备池计算等涉及到大量矩阵线性计算的问题上，相比通用电子芯片，专用的光子处理器可以用更低的延迟与能耗完成相同的计算量。片上集成光学矩阵矢量乘法器就是面向这类问题的一种解决方案：线性变换的过程以光速传输、并行处理，且目前可实现的片上光电探测器的带宽可达到GHz量级，这些特点将显著降低系统的总延迟；除系统中主动调制消耗的电能和输入光源的功耗，片上集成光学矩阵矢量乘法器不需要消耗其它额外能量，就可以被动地完成所有线性模拟计算过程，使得该类光学矩阵矢量乘法器具有较高的能量效率。然而，在一定的芯片尺寸下，片上集成光学矩阵矢量乘法器信息处理容量的提升还存在一定的限制。若将波分复用技术应用于片上集成光学矩阵矢量乘法器，则可显著提高片上集成光学矩阵矢量乘法器的数据传输带宽。另外，片上集成光学矩阵矢量乘法器输出结果的探测与采集是完成计算任务的一个关键步骤。由于组成光电探测器材料的晶格缺陷和热噪声的影响，会导致光电探测器产生暗电流；另一方面，激光器光源具有本征的相对强度噪声。因此直接将光信号处理的结果输入到单个光电探测器中，将会降低信噪比以及对微弱信号探测的灵敏度。此外，在光学模拟信号处理过程中，一般很难通过光学手段直接获取负值信息，若利用平衡探测器则可以较好地减小暗电流与相对强度噪声对输出信号的不利影响，并使得光学矩阵矢量乘法器能够从实验上直接获得负值信息。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决如何使片上集成光学矩阵矢量乘法器具备实验上直接获得负值权重矩阵元素的调节能力、降低其权重矩阵编码的复杂度、提升其信息处理容量以及减小暗电流与相对强度噪声对输出信号不利影响的技术问题。为达到解决上述问题的目的，本专利技术所采取的技术方案是提供一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器，包括输入矢量编码区和一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组；所述输入矢量编码区设有多个不同的波长通道；所述一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组包括一系列工作原理相同的光学矢量-矢量乘法单元，每个该类型的单元均包括滤波器阵列、权重编码器阵列、波分复用区和输出平衡探测区；所述滤波器阵列的输入端与所述输入矢量编码区的输出端相连；所述权重编码器阵列的输入端与滤波器阵列的输出端相连；所述对所有波长通道的信号进行汇总与收集的波分复用区与所述输出平衡探测区连接，输出平衡探测区接收波分复用区收集的光信号并将其转化为电信号，从而进行数据采集与处理。优选地，所述片上集成光学矩阵矢量乘法器中设有的不同波长通道的交叉处设有用于提高片上集成光学矩阵矢量乘法器的集成度的光互连用波导。本专利技术还提供一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器的执行装置，还包括光源信号、数模转换器和模数转换器；所述光源信号为各波长通道提供不同波长的输入光信号；所述数模转换器用以将计算机产生的数字信号转换为模拟电信号加载到需要调制的器件上；所述模数转换器用以将各光学矢量-矢量乘法单元中所述输出平衡探测区输出的模拟电压信号转换为数字信号进行实时同步读取；所述模数转换器采集得到的数据由计算机存储与处理。优选地，所述输入矢量编码区包括强度调制器阵列和功率分配器；所述强度调制器阵列中设有的强度调制器的数目设为与波长通道数相同；所述的每个波长通道设有一个强度调制器；强度调制器阵列的输出端与功率分配器的输入端按波长通道对应相连，每个波长通道的光经过强度调制器调制后，输入到所述功率分配器中；所述功率分配器将各个波长通道的光信号等比例分配到各个光学矢量-矢量乘法单元中进行并行处理。优选地，所述滤波器阵列包括一组光滤波器；对于各个光学矢量-矢量乘法单元，所述光滤波器的数目设为与波长通道数相同，每个波长通道对应设有一个光滤波器，光滤波器的输入端与输入矢量编码区对应波长通道的输出端相连接。优选地，所述权重编码器阵列包括一组设有双输出端口的权重编码器，一个输出端口设为上输出端口，一个输出端口设为下输出端口；对于各个光学矢量-矢量乘法单元，所述权重编码器的数目与波长通道数相同，每个波长通道对应设有一个权重编码器；所述权重编码器采用非谐振型器件，其输入端口与对应同一波长通道的光滤波器的输出端相连接。优选地，所述波分复用区包括两个波分复用器，设为第一波分复用器和第二波分复用器；所述权重编码器的上输出端口与第一波分复用器连接，权重编码器的下输出端口与第二波分复用器连接。优选地，所述输出平衡探测区包括两个性能参数相同的光电探测器，设为第一探测器和第二探测器和一个电流/电压转换器；所述第一波分复用器的输出端与所述第一探测器的输入端连接，所述第二波分复用器的输出端与所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器，其特征在于：包括输入矢量编码区和一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组；所述输入矢量编码区设有多个不同的波长通道；所述一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组包括一系列工作原理相同的光学矢量-矢量乘法单元，每个该类型的单元均包括滤波器阵列、权重编码器阵列、波分复用区和输出平衡探测区；所述滤波器阵列的输入端与所述输入矢量编码区的输出端相连；所述权重编码器阵列的输入端与滤波器阵列的输出端相连；所述对所有波长通道的信号进行汇总与收集的波分复用区与所述输出平衡探测区连接，输出平衡探测区接收波分复用区收集的光信号并将其转化为电信号，从而进行数据采集与处理。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器，其特征在于：包括输入矢量编码区和一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组；所述输入矢量编码区设有多个不同的波长通道；所述一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组包括一系列工作原理相同的光学矢量-矢量乘法单元，每个该类型的单元均包括滤波器阵列、权重编码器阵列、波分复用区和输出平衡探测区；所述滤波器阵列的输入端与所述输入矢量编码区的输出端相连；所述权重编码器阵列的输入端与滤波器阵列的输出端相连；所述对所有波长通道的信号进行汇总与收集的波分复用区与所述输出平衡探测区连接，输出平衡探测区接收波分复用区收集的光信号并将其转化为电信号，从而进行数据采集与处理。


2.如权利要求1所述的一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器，其特征在于：所述片上集成光学矩阵矢量乘法器中设有的不同波长通道的交叉处设有用于提高片上集成光学矩阵矢量乘法器的集成度的光互连用波导。


3.一种应用权利要求1或2所述的一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器的执行装置，其特征在于：还包括光源信号、数模转换器和模数转换器；所述光源信号为各波长通道提供不同波长的输入光信号；所述数模转换器用以将计算机产生的数字信号转换为模拟电信号加载到需要调制的器件上；所述模数转换器用以将各光学矢量-矢量乘法单元中所述输出平衡探测区输出的模拟电压信号转换为数字信号进行实时同步读取；所述模数转换器采集得到的数据由计算机存储与处理。


4.如权利要求3所述的一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器的执行装置，其特征在于：所述输入矢量编码区包括强度调制器阵列和功率分配器；所述强度调制器阵列中设有的强度调制器的数目设为与波长通道数相同；所述的每个波长通道设有一个强度调制器；强度调制器阵列的输出端与功率分配器的输入端按波长通道对应相连，每个波长通道的光经过强度调制器调制后，输入到所述功率分配器中；所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓平，汤晟杰，吕海斌，
申请(专利权)人：上海科技大学，
类型：发明
国别省市：上海;31