一种基于马赫-曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器制造技术

本发明专利技术属于光子信号处理技术领域，具体涉及一种基于马赫

【技术实现步骤摘要】
一种基于马赫
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曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器


[0001]本专利技术属于光子信号处理
，具体涉及一种基于马赫
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曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器。

技术介绍

[0002]近年来，人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)在大数据图像语音等模式识别、机器翻译、自动驾驶等领域取得了突破性的进展，推动人类社会进入智能时代。随着大数据时代的到来，海量数据可供神经网络进行学习，但也对电子计算机的算力和其硬件实现提出了更为严峻的挑战。随着摩尔定律趋近于极限，传统电子计算机在计算速率和功耗等方面也出现了瓶颈，因此如何提高人工智能芯片的计算速率，以及降低功耗成为了待解决的难题。在ANN中，矩阵乘法占据整个神经网络90％以上的算力，这种资源耗尽型的运算在一定程度限制了神经网络的扩展性和效率，故高带宽、低功耗、高计算速率的新型光子乘法器成为了潜在的具有前景性的解决方案。
[0003]光作为信息载体在光信号处理、光学神经网络(Optical Neural Network,ONN)中显示出巨大的潜力。光信号特有的高速率与高并行度性决定了它具有超高速率运算的潜质，可以突破传统互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺的固有限制。以马赫
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曾德尔干涉仪(Mach
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Zehnder Interferometer,MZI)网格为组件的相干集成光子神经网络(Coherent Integrated Photonic Neural Networks,CIPNN)在神经形态计算中显示出高并行性、低延迟和低功耗的巨大优势。CIPNN可以使用相干光干涉以光速直接执行计算成本高昂的矩阵乘法，其速度和功率效率超过了冯
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诺依曼架构。在CIPNN中，MZI作为一个线性单元，通过控制光的相位角，对两个输入光信号进行无源线性计算，允许二维酉矩阵的任意旋转。进一步，旋转矩阵的组合左乘能够实现矩阵乘法操作。
[0004]MZI移相器是矩阵乘法器的基本单元，MZI中的两臂中含有移相器。一般的，外界可以通过控制移相器的方法来改变两臂的相位差，从而控制MZI输出端口的输出功率值。这意味着经过MZI的值发生了改变，从而可以使用MZI的移相器的变化来表征一个权重矩阵，使得输入与权重矩阵相乘，实现矩阵的乘法操作。
[0005]现有的MZI移相器大多使用热光效应和电光效应来实现相位调制，但这些移相器需要连续电压来保持其光学特性，消耗高静态功率，同时还引入热串扰以增加随机相位误差，这些缺点显著限制了CIPNN的可扩展性和能效。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种基于马赫
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曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器，包括：设置的光源、带非易失性变相材料的马赫
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曾德尔干涉仪、激光探测器；
[0007]所述带非易失性变相材料的马赫
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曾德尔干涉仪，包括：第一马赫
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曾德尔干涉仪、第二马赫
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曾德尔干涉仪、第三马赫
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曾德尔干涉仪、第四马赫
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曾德尔干涉仪、第五马赫
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曾德尔干涉仪、第六马赫
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曾德尔干涉仪；
[0008]所述设置的光源与所述第一马赫
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曾德尔干涉仪和所述第二马赫
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曾德尔干涉仪输入端口连接；
[0009]所述第一马赫
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曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第四马赫
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曾德尔干涉仪的输入上端口和所述第三马赫
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曾德尔干涉仪的输入上端口连接；
[0010]所述第二马赫
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曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第三马赫
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曾德尔干涉仪的输入下端口和所述第五马赫
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曾德尔干涉仪的输入下端口连接；
[0011]所述第三马赫
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曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第四马赫
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曾德尔干涉仪的输入下端口和所述第五马赫
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曾德尔干涉仪的输入上端口连接；
[0012]所述第四马赫
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曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述激光探测器和所述第六马赫
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曾德尔干涉仪的输入上端口连接；
[0013]所述第五马赫
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曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第六马赫
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曾德尔干涉仪的输入下端口和所述激光探测器连接；
[0014]所述第六马赫
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曾德尔干涉仪的输出端口与所述激光探测器连接。
[0015]优选的，所述第一马赫
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曾德尔干涉仪、第二马赫
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曾德尔干涉仪、第三马赫
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曾德尔干涉仪、第四马赫
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曾德尔干涉仪、第五马赫
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曾德尔干涉仪、第六马赫
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曾德尔干涉仪为矩阵排列。
[0016]优选的，所述带非易失性变相材料的马赫
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曾德尔干涉仪，包括：第一耦合器、第二耦合器、内部NOPS、外部NOPS；
[0017]所述第一耦合器连接所述内部NOPS，所述内部NOPS连接第二耦合器，所述第二耦合器连接外部NOPS。
[0018]进一步的，所述内部NOPS和外部NOPS上臂和下臂的Si波导上放置的都是非易失性变相材料Sb2Se3。
[0019]进一步的，所述内部NOPS和外部NOPS下臂的Si波导上放置的为完全非晶体的Sb2Se3，上臂的Si波导上放置Sb2Se3结晶面积比率定义为上结晶比率UCR，UCR等于上臂的结晶的Sb2Se3的长度与下臂等长完全非晶体的Sb2Se3长度的比值，UCR在0和1之间变化，导致相移的变化，当UCR等于1时，表示内部移相器的上臂Sb2Se3是完全结晶的状态。
[0020]进一步的，上臂的Si波导上放置Sb2Se3通过低功耗的纳秒激光器实现结晶与非结晶状态之间的切换。
[0021]本专利技术的有益效果：
[0022]本专利技术提出一种基于马赫
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曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器，引入非易失性相变材料Sb2Se3，将其嵌入到MZI内部和外部的干涉臂中，利用其非易失性及非晶体和晶体之间具有高对比度的特点，将MZI的相位信息映射到Sb2Se3的上晶体比率中，用来表示酉矩阵；使用低功耗的纳秒激光器可以实现Sb2Se3在非晶态和晶态之间快速可逆地切换；考虑到Sb2Se3表现出的非易失特性，可以在没有电源的情况下保持相位信息；在这种情况下，与基于电光效应或热光效应的移相器相比，本专利技术中的光子矩阵乘法器具有零本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于马赫
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曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器，其特征在于，包括：设置的光源、带非易失性变相材料的马赫
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曾德尔干涉仪、激光探测器；所述带非易失性变相材料的马赫
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曾德尔干涉仪，包括：第一马赫
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曾德尔干涉仪、第二马赫
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曾德尔干涉仪、第三马赫
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曾德尔干涉仪、第四马赫
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曾德尔干涉仪、第五马赫
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曾德尔干涉仪、第六马赫
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曾德尔干涉仪；所述设置的光源与所述第一马赫
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曾德尔干涉仪和所述第二马赫
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曾德尔干涉仪输入端口连接；所述第一马赫
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曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第四马赫
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曾德尔干涉仪的输入上端口和所述第三马赫
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曾德尔干涉仪的输入上端口连接；所述第二马赫
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曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第三马赫
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曾德尔干涉仪的输入下端口和所述第五马赫
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曾德尔干涉仪的输入下端口连接；所述第三马赫
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曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第四马赫
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曾德尔干涉仪的输入下端口和所述第五马赫
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曾德尔干涉仪的输入上端口连接；所述第四马赫
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曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述激光探测器和所述第六马赫
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曾德尔干涉仪的输入上端口连接；所述第五马赫
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曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第六马赫
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曾德尔干涉仪的输入下端口和所述激光探测器连接；所述第六马赫
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【专利技术属性】
技术研发人员：郭鹏星，游正容，邓玉宝，侯维刚，郭磊，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：