【技术实现步骤摘要】
光电处理系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年12月4日提交的美国临时申请62/943,756、于 2020年4月29日提交的美国临时申请63/017,211、于2020年7月6日提交 的美国临时申请63/048,439以及于2020年8月6日提交的美国临时申请 63/061,995的优先权。以上申请的全部公开内容通过引用合并于此。
[0003]本公开涉及一种用于光电处理的光学调制。
技术介绍
[0004]神经形态计算(neuromorphic computing)是电子领域中近似大脑的操作 的方法。神经形态计算的一个突出方法是人工神经网络(artificial neuralnetwork；ANN)，它是人工神经元的集合，人工神经元以特定的方式相互连 接，以类似于大脑功能的方式处理信息。ANN已经在多种应用中找到了用 途，这些应用包括人工智能、语音识别、文本识别、自然语言处理以及各种 形式的模式识别。
[0005]ANN具有输入层、一个或多个隐藏层以及输出层。每个层具有节点或人 工神经元，并且节点在层之间互连。隐藏层的每个节点执行从先前层的节点 所接收的信号的加权总和(weighted sum)，并且执行加权总和的非线性变 换(“激活”)以产生输出。可以通过执行矩阵乘法步骤来计算加权总和。因 此，计算ANN通常涉及多个矩阵乘法步骤，其通常使用电子集成电路来执 行。
[0006]对以模拟或数字形式编码在电子信号(例如电压或电流)上的电子数据 所执行的计算...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种光电处理系统，包括：至少一个输入光学波导，被配置以接收光波；至少一个数字输入端口，被配置以在连续时间间隔内接收一系列数字输入值，每个数字输入值包括两个或更多个比特；以及光学调制器，耦合至所述输入光学波导，所述光学调制器包括：光学波导部分，所述光学波导部分包括多个光学波导片段，所述光学波导片段与沿着对应光学片段定位的多个二极管区段相关联，所述光学波导片段是连续光学波导的一部分，其中所述二极管区段被配置为对通过所述光学波导片段传播的光波施加不同的相应调制贡献，并且每个相应二极管区段包括：关联于小于约1毫米的光径长的半导体二极管，以及用于向处于正向偏置状态的所述半导体二极管施加电信号的电触点，在所述正向偏置状态下与所述二极管区段相关联的光学波导片段的光学特性被响应于所述数字输入值中的对应比特的值而调制，以及信号调节电路，被配置以与所述一系列数字输入值中连续的数字输入值之间对应的改变相关联地整形施加至所述半导体二极管中的至少一个的电信号的幅度改变。2.根据权利要求1所述的光电处理系统，其中所述信号调节电路被配置为，对于第二时间间隔的起始部分，通过增大与第一时间间隔相关联的第一电信号水平和与所述第二时间间隔相关联的第二电信号水平之间的幅度改变的大小，来整形所述幅度改变。3.根据权利要求2所述的光电处理系统，其中所述信号调节电路被配置为，对于所述第二时间间隔的最终部分，通过减少第一电信号水平与第二电信号水平之间的幅度改变的大小，来整形所述幅度改变。4.根据权利要求1所述的光电处理系统，其中所述信号调节电路被配置为，通过匹配电路施加电信号至所述半导体二极管来整形所述幅度改变，所述匹配电路被配置以匹配与所述半导体二极管相关联的阻抗，而不显著改变所施加的电信号的幅度。5.根据权利要求4所述的光电处理系统，其中所述匹配电路包括无源电路。6.根据权利要求5所述的光电处理系统，其中所述匹配电路基本上由电感器组成。7.根据权利要求1所述的光电处理系统，其中所述信号调节电路被配置为，通过电路施加电信号至所述半导体二极管来整形所述幅度改变，所述电路被配置以在所述半导体二极管与电容器之间泵送电流，所述电容器串联连接在所述半导体二极管与提供所述一系列数字输入值的电路之间，其中所泵送的电流所传输的电荷量是至少部分基于在提供所述一系列数字输入值的多个连续时间间隔中恒定的电压来确定的。8.根据权利要求1所述的光电处理系统，其中所述光学调制器包括干涉仪光学调制器，所述干涉仪光学调制器进一步包括光学干涉部分，所述光学干涉部分被配置以基于与所述二极管区段相关联的所述光学波导片段的累积调制贡献，提供导致预定的幅度减少的一定程度的相消光学干涉。9.根据权利要求8所述的光电处理系统，其中所述光学干涉部分包括光学组合器。10.根据权利要求9所述的光电处理系统，其中所述光学波导部分包括：至少两个光学波导臂，每个光学波导臂：接收从耦合至所述输入光学波导的同一分光器分出的光波，以及提供光波至所述光学组合器。11.根据权利要求10所述的光电处理系统，其中与所述二极管区段相关联的所述光学
波导片段的光学特性包括所述光学波导片段的有效折射率，并且所述不同的相应调制贡献包括不同的相应相移。12.根据权利要求11所述的光电处理系统，其中与第一二极管区段的半导体二极管相关联的第一波导片段的光径长，约为与第二二极管区段的半导体二极管相关联的第二波导片段的光径长的两倍。13.根据权利要求12所述的光电处理系统，其中所述信号调节电路被配置为通过以下操作来整形所述幅度改变：响应于对应比特的值由0至1的改变，施加电信号幅度的第一预定形状至所述第一二极管区段的电触点和所述第二二极管区段的电触点，以及响应于对应比特的值由1至0的改变，施加电信号幅度的第二预定形状至所述第一二极管区段的电触点和所述第二二极管区段的电触点。14.根据权利要求12所述的光电处理系统，其中所述信号调节电路被配置为通过以下操作来整形所述幅度改变：通过第一匹配电路施加电信号至所述第一二极管区段的电触点，以及通过第二匹配电路施加电信号至所述第二二极管区段的电触点，所述第一匹配电路被配置以匹配与所述第一半导体二极管相关联的阻抗，所述第二匹配电路被配置以匹配与所述第二半导体二极管相关联的阻抗。15.根据权利要求14所述的光电处理系统，其中所述第一匹配电路和所述第二匹配电路各自基本上由电感器组成。16.根据权利要求10所述的光电处理系统，其中所述输入光学波导耦合至光学解复用器，所述光学解复用器分离至少两个不同波长的光波。17.根据权利要求1所述的光电处理系统，其中所述光学调制器包括吸收光学调制器，所述吸收光学调制器被配置以基于与所述二极管区段相关联的所述光学波导片段的累积调制贡献，提供导致预定幅度减少的一定程度的吸光度。18.根据权利要求17所述的光电处理系统，其中与所述二极管区段相关联的所述光学波导片段的光学特性包括所述光学波导片段的吸光系数，并且所述不同的相应调制贡献包括不同的相应吸光度。19.根据权利要求1所述的光电处理系统，其中所述至少一个输入光学波导包括多个输入光学波导，多个光学调制器各自与所述多个输入光学波导中不同相应输入光学波导耦合，并且来自所述多个光学调制器的输出被组合以提供向量
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矩阵乘法的结果。20.根据权利要求1所述的光电处理系统，其中所述光学调制器包括至少一个校准移相器，所述校准移相器被配置为补偿由所述光学调制器的两个波导臂给予的光学相移的不平衡。21.根据权利要求1所述的光电处理系统，包括人工神经网络ANN计算系统，所述ANN计算系统包括：第一单元，被配置为在连续的时间间隔上产生包括一系列数字输入值的多个调制器控制信号，每个数字输入值包括两个或更多个比特；光源，被配置为提供多个光输出；多个光学调制器，耦合至所述光源和所述第一单元，所述多个光学调制器被配置为通过基于所述多个调制器控制信号对所述光源提供的所述多个光输出进行调制来产生光学输入向量，所述光学输入向量包括多个光学信号；
其中所述多个光学调制器包括含有所述光学波导部分和所述信号调节电路的光学调制器；以及矩阵处理单元，耦合到所述多个光学调制器和所述第一单元，所述矩阵处理单元被配置为基于多个权重控制信号将所述光学输入向量变换为模拟输出向量。22.根据权利要求21所述的光电处理系统，其中所述ANN计算系统包括：第二单元，耦合至所述矩阵处理单元，并且被配置为将所述模拟输出向量转换为数字化输出向量；以及控制器，包括集成电路，所述集成电路被配置为执行包括以下内容的操作：接收人工神经网络计算请求，所述人工神经网络计算请求包括输入数据集，所述输入数据集包括第一数字输入向量；接收第一多个神经网络权重；以及通过所述第一单元，基于所述第一数字输入向量产生第一多个调制器控制信号，以及基于所述第一多个神经网络权重产生第一多个权重控制信号。23.根据权利要求21所述的光电处理系统，其中所述矩阵处理单元包括：多个复制模块，其中每个复制模块对应所述光学输入向量的一个或多个光学信号的子集并且被配置为将一个或多个光学信号的所述子集分成所述光学信号的两个或更多个副本；多个乘法模块，其中每个乘法模块对应一个或多个光学信号的子集并且被配置为使用光学幅度调制将所述子集的一个或多个光学信号乘以一个或多个矩阵元素值；以及一个或多个求和模块，其中每个求和模块被配置以产生电信号，所述电信号表示所述乘法模块的两个或更多个乘法模块的结果的总和。24.根据权利要求1至23中任一项所述的光电处理系统，包括个人计算机、服务器计算机、交通工具计算机或飞行计算机中的至少一个，其中所述至少一个输入光学波导、所述至少一个数字输入端口和所述光学调制器是所述个人计算机、所述服务器计算机、所述交通工具计算机或所述飞行计算机的一部分。25.一种光电处理系统，包括：至少一个输入光学波导，被配置以接收光波；至少一个数字输入端口，被配置以在连续时间间隔内接收一系列数字输入值，每个数字输入值包括两个或更多个比特；以及光学调制器，耦合至所述输入光学波导，所述光学调制器包括：光学波导部分，所述光学波导部分包括沿着所述光学波导部分定位的多个二极管区段，其中所述二极管区段对通过所述光学波导部分传播的光波施加不同的相应调制贡献，并且每个相应二极管区段包括：具有小于约1毫米的光径长的半导体二极管，以及用于向处于正向偏置状态的所述半导体二极管施加电信号的电触点，在所述正向偏置状态下所述二极管区段的光学特性被响应于所述数字输入值中的对应比特的值而调制，以及信号调节电路，被配置以与所述一系列数字输入值中连续的数字输入值之间对应的改变相关联地整形施加至所述半导体二极管中的至少一个的电信号的幅度改变。26.根据权利要求25所述的光电处理系统，其中与所述一系列数字输入值中连续的数字输入值相关联地整形施加至所述半导体二极管的电信号的所述幅度改变包括：对于第二
时间间隔的起始部分，增大与第一时间间隔相关联的第一电信号水平和与所述第二时间间隔相关联的第二电信号水平之间的幅度改变的大小。27.根据权利要求26所述的光电处理系统，其中与所述一系列数字输入值中连续的数字输入值相关联地整形施加至所述半导体二极管的电信号的所述幅度改变进一步包括：对于所述第二时间间隔的最终部分，减少第一电信号水平与第二电信号水平之间的幅度改变的大小。28.根据权利要求25所述的光电处理系统，其中与所述一系列数字输入值中连续的数字输入值相关联地整形施加至所述半导体二极管的电信号的所述幅度改变包括：通过匹配电路施加电信号至所述半导体二极管，所述匹配电路被配置以匹配与所述半导体二极管相关联的阻抗，而不显著改变所施加的电信号的幅度。29.根据权利要求28所述的光电处理系统，其中所述匹配电路包括无源电路。30.根据权利要求29所述的光电处理系统，其中所述匹配电路基本上由电感器组成。31.根据权利要求25所述的光电处理系统，对于所述一系列数字输入值中连续的数字输入值，整形施加至所述半导体二极管的电信号的所述幅度改变包括：通过电路施加电信号至所述半导体二极管，所述电路被配置以在所述半导体二极管与电容器之间泵送电流，所述电容器串联连接在所述半导体二极管与提供所述一系列数字输入值的电路之间，其中所泵送的电流所传输的电荷量是至少部分基于在提供所述一系列数字输入值的多个连续时间间隔中恒定的电压来确定的。32.根据权利要求25所述的光电处理系统，其中所述光学调制器包括干涉仪光学调制器，所述干涉仪光学调制器进一步包括光学干涉部分，所述光学干涉部分被配置以基于所述二极管区段的累积调制贡献，提供导致预定的幅度减少的一定程度的相消光学干涉。33.根据权利要求32所述的光电处理系统，其中所述光学干涉部分包括光学组合器。34.根据权利要求33所述的光电处理系统，其中所述光学波导部分包括：至少两个光学波导片段，每个光学波导片段：接收从耦合至所述输入光学波导的同一分光器分出的光波，以及提供光波至所述光学组合器。35.根据权利要求34所述的光电处理系统，其中所述二极管区段的光学特性包括所述二极管区段的有效折射率，并且所述不同的相应调制贡献包括不同的相应相移。36.根据权利要求35所述的光电处理系统，其中第一二极管区段的第一半导体二极管的光径长，约为第二二极管区段的第二半导体二极管的光径长的两倍。37.根据权利要求36所述的光电处理系统，其中对于所述一系列数字输入值中连续的数字输入值，整形施加至所述半导体二极管的电信号的所述幅度改变包括：响应于对应比特的值由0至1的改变，施加电信号幅度的第一预定形状至所述第一二极管区段的电触点和所述第二二极管区段的电触点，以及响应于对应比特的值由1至0的改变，施加电信号幅度的第二预定形状至所述第一二极管区段的电触点和所述第二二极管区段的电触点。38.根据权利要求36所述的光电处理系统，其中对于所述一系列数字输入值中连续的数字输入值，整形施加至所述半导体二极管的电信号的所述幅度改变包括：通过第一匹配电路施加电信号至所述第一二极管区段的电触点，以及通过第二匹配电路施加电信号至所述第二二极管区段的电触点，所述第一匹配电路被配置以匹配与所述第一半导体二极管相关联的阻抗，所述第二匹配电路被配置以匹配与所述第二半导体二极管相关联的阻抗。
39.根据权利要求38所述的光电处理系统，其中所述第一匹配电路和所述第二匹配电路各自基本上由电感器组成。40.根据权利要求34所述的光电处理系统，其中所述输入光学波导耦合至光学解复用器，所述光学解复用器分离至少两个不同波长的光波。41.根据权利要求25所述的光电处理系统，其中所述光学调制器包括吸收光学调制器，所述吸收光学调制器被配置以基于所述二极管区段的累积调制贡献，提供导致预定幅度减少的一定程度的吸光度。42.根据权利要求41所述的光电处理系统，其中所述二极管区段的光学特性包括所述二极管区段的吸光系数，并且所述不同的相应调制贡献包括不同的相应吸光度。43.根据权利要求25所述的光电处理系统，其中所述至少一个输入光学波导包括多个输入光学波导，多个光学调制器各自与所述多个输入光学波导中不同相应输入光学波导耦合，并且来自所述多个光学调制器的输出被组合以提供向量
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矩阵乘法的结果。44.一种光电处理系统，包括：至少一个输入光学波导，被配置以接收光波；至少一个数字输入端口，被配置以在连续的时间间隔内接收一系列数字输入值，每个数字输入值包括两个或更多个比特；以及干涉仪光学调制器，耦合至所述至少一个输入光学波导，所述干涉仪光学调制器包括：光学波导部分，所述光学波导部分包括沿着所述光学波导部分的二极管区段，其中所述二极管区段调制通过所述光学波导部分传播的光波，并且所述二极管区段包括：具有小于约1毫米的光径长的半导体二极管，以及用于向处于正向偏置状态的所述半导体二极管施加电信号的电触点，在所述正向偏置状态下所述二极管区段的光学特性被响应于所述数字输入值而调制，信号调节电路，被配置以与所述一系列数字输入值中连续的数字输入值之间对应的改变相关联地整形施加至所述半导体二极管的电信号的幅度改变，其中所述信号调节电路包括：提供对应于所述一系列数字输入值的未调节电信号的第一信号调节路径、提供所述未调节电信号的延迟、缩放和/或反相版本的第二信号调节路径、以及提供所述未调节电信号的延迟、缩放和/或反相版本的第三信号调节路径，以及光学干涉部分，被配置以基于所述二极管区段的光学特性的调制，提供导致预定的幅度减少的一定程度的相消光学干涉。45.根据权利要求44所述的光电处理系统，其中所述光学干涉部分包括一对光学波导中每个光学波导的耦合部分，其中每个光学波导的所述耦合部分彼此接近。46.根据权利要求45所述的光电处理系统，其中所述光学波导部分包括所述一对光学波导中形成在封闭路径中的第一光学波导。47.根据权利要求44所述的光电处理系统，其中包括人工神经网络ANN计算系统，所述ANN计算系统包括：第一单元，被配置为在连续的时间间隔内产生包括一系列数字输入值的多个调制器控制信号，每个数字输入值包括两个或更多个比特；光源，被配置为提供多个光输出；多个干涉仪光学调制器，耦合至所述光源和所述第一单元，所述多个光学调制器被配
置为通过基于所述多个调制器控制信号对所述光源提供的所述多个光输出进行调制来产生光学输入向量，所述光学输入向量包括多个光学信号；其中所述多个光学调制器包括含有所述光学波导部分和所述信号调节电路的光学调制器；以及矩阵处理单元，耦合到所述多个光学调制器和所述第一单元，所述矩阵处理单元被配置为基于多个权重控制信号将所述光学输入向量变换为模拟输出向量。48.根据权利要求47所述的光电处理系统，其中所述ANN计算系统包括：第二单元，耦合至所述矩阵处理单元，并且被配置为将所述模拟输出向量转换为数字化输出向量；以及控制器，包括集成电路，所述集成电路被配置为执行包括以下内容的操作：接收人工神经网络计算请求，所述人工神经网络计算请求包括输入数据集，所述输入数据集包括第一数字输入向量；接收第一多个神经网络权重；以及通过所述第一单元，基于所述第一数字输入向量产生第一多个调制器控制信号，以及基于所述第一多个神经网络权重产生第一多个权重控制信号。49.根据权利要求47所述的光电处理系统，其中所述矩阵处理单元包括：多个复制模块，其中每个复制模块对应所述光学输入向量的一个或多个光学信号的子集并且被配置为将一个或多个光学信号的所述子集分成所述光学信号的两个或更多个副本；多个乘法模块，其中每个乘法模块对应一个或多个光学信号的子集并且被配置为使用光学幅度调制将所述子集的一个或多个光学信号乘以一个或多个矩阵元素值；以及一个或多个求和模块，其中每个求和模块被配置以产生电信号，所述电信号表示所述乘法模块的两个或更多个乘法模块的结果的总和。50.根据权利要求44至49中任一项所述的光电处理系统，包括个人计算机、服务器计算机、交通工具计算机或飞行计算机中的至少一个，其中所述至少一个输入光学波导、所述至少一个数字输入端口和所述光学调制器是所述个人计算机、所述服务器计算机、所述交通工具计算机或所述飞行计算机的一部分。51.一种光电处理系统，包括：至少一个输入光学波导，被配置以接收光波；至少一个输入端口，被配置以接收一系列调制器控制信号；以及光学调制器，耦合至所述输入光学波导，被配置以提供具有四个或更多个幅度水平的脉冲幅度调制，所述光学调制器包括第一调制器臂和第二调制器臂，所述第一调制器臂或所述第二调制器臂中的至少一个包括光学波导和沿着所述光学波导定位的多个移相器，所述移相器被配置以对通过所述光学波导传播的光波施加不同的相应调制贡献，每个移相器耦合至被配置以提供用于二进制调制的增强带宽的相应的信号调节电路，并且不同移相器耦合至不同的信号调节电路；其中每个移相器包括与小于约1毫米的光径长相关联的半导体二极管或电容器；以及控制电路，被配置以对每个移相器进行至少以下之一：(i)提供电信号至所述半导体二极管，以使得所述半导体二极管处于正向偏置状态，在所述正向偏置状态下与所述移相器
相关联的光学波导的光学特性被响应于所述调制器控制信号而调制，或(ii)提供电信号至所述电容器，以使得电荷累积于所述电容器处，其中与所述移相器相关联的所述光学波导的光学特性被响应于所述调制器控制信号而调制。52.根据权利要求51所述的光电处理系统，其中所述调制器控制信号包括数字控制信号，每个数字控制信号包括两个或更多个比特，并且所述第一调制器臂中的移相器的数量等于所述数字控制信号中的比特的数量。53.根据权利要求51所述的光电处理系统，其中所述信号调节电路被配置以与所述一系列调制器控制信号中连续的调制器控制信号之间对应的改变相关联地整形施加至所述移相器中的至少一个的电信号的幅度改变。54.根据权利要求51所述的光电处理系统，其中每个移相器包括半导体二极管，以及所述光学调制器包括控制电路，所述控制电路被配置为，针对每个移相器，向所述半导体二极管提供电信号，以使得所述半导体二极管处于正向偏置状态，在所述正向偏置状态下与所述移相器相关联的光学波导的光学特性被响应于对应调制器控制信号的值而调制。55.根据权利要求51所述的光电处理系统，其中每个移相器包括电容器，所述电容器被配置为通过载流子累积来实现基于自由载流子的调制，并且所述光学调制器包括控制电路，所述控制电路被配置为，针对每个移相器，向所述电容器提供电信号，以使得电荷累积在所述电容器处，其中与所述移相器相关联的光学波导的光学特性被响应于对应调制器控制信号的值而调制。56.根据权利要求51所述的光电处理系统，其中所述光学调制器包括至少一个校准移相器，所述校准移相器被配置为补偿由所述第一调制器臂和所述第二调制器臂给予的光学相移的不平衡。57.根据权利要求56所述的光电处理系统，包括：多个1比特DAC，每个1比特DAC被配置为驱动对应的移相器，其中不同的移相器由不同的1比特DAC驱动，以及至少一个m比特DAC，被配置为驱动所述至少一个校准移相器，其中m≥2。58.根据权利要求57所述的光电处理系统，其中m≥4。59.根据权利要求58所述的光电处理系统，其中m≥8。60.根据权利要求51所述的光电处理系统，其中所述第一调制器臂至少包括第一移相器、第二移相器和第三移相器；所述第一移相器包括第一二极管区段；所述第二移相器包括第二二极管区段；所述第三移相器包括第三二极管区段；所述第二二极管区段关联于比所述第一二极管区段所关联的光径长更长的光径长；所述第三二极管区段关联于比所述第二二极管区段所关联的光径长更长的光径长；所述第一二极管区段耦合到第一信号调节电路，所述第一信号调节电路被配置为提供增强带宽用于调制所述第一二极管区段；所述第二二极管区段耦合到第二信号调节电路，所述第二信号调节电路被配置为提供增强带宽用于调制所述第二二极管区段；以及
所述第三二极管区段耦合到第三信号调节电路，所述第三信号调节电路被配置为提供增强带宽用于调制所述第三二极管区段。61.根据权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：J邓，A霍塞因扎德，Y徐，Y白，孟怀宇，R加格农，卢正观，J特里，M斯坦曼，沈亦晨，
申请(专利权)人：光子智能股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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