密集波导阵列的片上光学器件光计算网络结构制造技术

本发明专利技术涉及光电芯片技术领域，具体提供一种密集波导阵列的片上光学器件光计算网络结构。包括：可调制密集波导阵列、功率强度调制器；两组可调制密集波导阵列之间通过功率强度调制器连接；多路光信号向量由器件的一侧输入，传递到第一个可调制密集波导阵列，经调制重新分配分光比；再经功率调制器对每一路信号的功率强度进行调制；调制后，输入第二个可调制密集波导阵列，对光信号向量进行进一步的光信号分配后输出；经过整个网络结构输出的光信号向量与输入的多路光信号向量实现任意线性变换关系；网络结构为U

【技术实现步骤摘要】
密集波导阵列的片上光学器件光计算网络结构


[0001]本专利技术涉及光电芯片
，尤其涉及一种密集波导阵列的片上光学器件光计算网络结构。

技术介绍

[0002]线性矩阵乘法或乘法累加是并行计算系统尤其是针对图像处理或深度学习技术的主体计算任务，对于深度学习算法，其中90%以上的计算任务都属于这类计算。故提升硬件系统对线性矩阵乘法的计算速度、计算容量、降低计算能耗，是现代神经元网络计算的核心研究问题。
[0003]随着摩尔定律逐渐走向技术尽头，传统电信号传输存在不可回避的延迟极限、带宽极限和高能耗问题，纯电子芯片的计算性能将在不久的将来趋近性能瓶颈。而得益于光学网络的低延迟、高带宽和低能耗，利用光学网络来实现线性矩阵乘法从而加速整个系统，成为了突破现有深度网络硬件技术瓶颈的可行方案。
[0004]目前通过光学方式实现线性矩阵乘法的技术方案主要包括：（1）多平面光信号转换(Multi
‑
Plane Light Conversion，MPLC)(如D2NN结构)；（2）广播信号再赋予权重(Broadcast and Weight)（如波分复用型网络）；（3）功率分束（如MZI网络）。几种技术方案的简单结构示意如图1。以上几种方案都存在整个系统体积大，难以在单片上集成大规模、高密度的计算光网络的问题。其中基于MPLC的技术方案需要引入多个平行衍射平面，完全不能实现单片集成。而基于MZI网格和波分复用的两类方案虽然能够集成在单片上，但是由于构成系统的片上光学单元尺寸大，对于大规模的线性矩阵乘法网络需要的这种单元器件数量巨大，所以也很难实现大规模集成。

技术实现思路

[0005]本专利技术为解决上述问题，提供一种基于分光比动态的可调密集波导阵列的多输入
‑
多输出片上光学器件结构的光计算网络结构。
[0006]本专利技术的目的在于提供一种密集波导阵列的片上光学器件光计算网络结构，包括：两组可调制密集波导阵列、一组功率强度调制器；所述两组可调制密集波导阵列之间通过功率强度调制器连接；多路光信号向量由一侧输入，传递到第一个可调制密集波导阵列，经过调制重新分配分光比；再经过功率调制器，对每一路信号的功率强度进行调制；调制后，输入第二个可调制密集波导阵列，对光信号向量进行进一步的光信号分配后输出；经过整个网络结构输出的光信号向量与输入的多路光信号向量实现任意线性变换关系。
[0007]优选的，密集波导阵列的片上光学器件光计算网络结构为U
×
S
×
V矩阵，其中U和V为酉矩阵，S为对角矩阵。
[0008]优选的，网络结构还包括输入端口阵列和输出端口阵列，所述输入端口阵列、可调制密集波导阵列、功率强度调制器、可调制密集波导阵列和输出端口阵列依次串联；所述多
路光信号向量由输入端口阵列输入，所述输出的光信号向量由输出端口阵列输出。
[0009]优选的，功率强度调制器为光强度调制器，用于对光信号的强度进行调制。
[0010]优选的，光强度调制器包括光开关器件、光学吸收调制器和光放大器。
[0011]优选的，光开关器件为MZI光开关器件。
[0012]优选的，光学吸收调制器为电吸收光调制器。
[0013]优选的，光放大器为半导体光放大器。
[0014]本专利技术有益效果：与现有基于功率分束的MZI网格线性矩阵乘法加速器方案相比，本专利技术将功率分束型网络中大量分立的大尺寸光学单元，集成于单个复杂的片上光学器件当中，可调制密集波导阵列可以有效的降低规模传输矩阵的尺寸，且这种趋势随线性矩阵的规模增长进一步显著；当线性矩阵的规模达到1024
×
1024时，本专利技术所需的器件体积仅为现有MZI网格技术方案中器件体积的百分之一，将为光学矩阵乘法器的大规模集成起到显著的推动作用。相较于目前的热光调制方式，本专利技术的调制速度也更快，实现矩阵变化的速度更快。
附图说明
[0015]图1为现有的光网络结构示意图；（a）基于MPLC的光网络结构；（b）基于波分复用的光网络结构；（c）基于MZI网格的光网络结构。
[0016]图2为本专利技术实施例提供的密集波导阵列的片上光学器件光计算网络结构示意图；V和U代表酉矩阵，S代表对角矩阵。
[0017]附图标记：1、输入端口阵列；2、可调制密集波导阵列；3、功率强度调制器；4、输出端口阵列。
具体实施方式
[0018]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，而不构成对本专利技术的限制。
[0019]本专利技术提供一种密集波导阵列的片上光学器件光计算网络结构，包括：两组可调制密集波导阵列、一组功率强度调制器；所述两组可调制密集波导阵列之间通过功率强度调制器连接；多路光信号向量由一侧输入，传递到第一个可调制密集波导阵列，经过调制重新分配分光比；再经过功率调制器，对每一路信号的功率强度进行调制；调制后，输入第二个可调制密集波导阵列，对光信号向量进行进一步的光信号分配后输出；经过整个网络结构输出的光信号向量与输入的多路光信号向量实现任意线性变换关系；密集波导阵列的片上光学器件光计算网络结构为U
×
S
×
V矩阵，其中U和V为酉矩阵，S为对角矩阵；网络结构还包括输入端口阵列和输出端口阵列，所述输入端口阵列、可调制密集波导阵列、功率强度调制器、可调制密集波导阵列和输出端口阵列依次串联；所述多路光信号向量由输入端口阵列输入，所述输出的光信号向量由输出端口阵列输出；功率强度调制器为光强度调制器，用于对光信号的强度进行调制。
[0020]光强度调制器包括光开关器件、光学吸收调制器和光放大器；优选的，光开关器件为MZI光开关器件；优选的，光学吸收调制器为电吸收光调制器；优选的，光放大器为半导体光放大器。
[0021]网络中前后两个可调制密集波导阵列仅通过调制光信号的相位改变输出信号分光比，不对光信号强度进行改变，而串联两个密集波导阵列器件的一组光强度调制器仅对光信号的强度进行调制，而不对光相位产生显著影响；光强度调制器可通过各种光开关器件、光学吸收调制器和光放大器的组合来实现；片上光开关一般通过MZI光开关器件实现，光学吸收调制器一般通过电吸收调制器效应(Electro
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Absorptionmodulation，EAM)来实现，光放大器则一般采用混合集成的片上半导体光放大器来实现。
[0022]实施例1对于一般的无损耗光学网络，如MZI网络，多路输入
‑
输出的光场强度传输矩阵一般是一个酉矩阵，即矩阵的共轭转置是自己的逆矩阵。而要实现对多路输入
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输出功率比的随意调整，就需要采用奇异值分解法(Single Valued Decomposition，SVD)，将任意线性矩阵分解成U
×
S
×
V的矩阵相乘本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.密集波导阵列的片上光学器件光计算网络结构，其特征在于，包括：两组可调制密集波导阵列、一组功率强度调制器；所述两组可调制密集波导阵列之间通过功率强度调制器连接；多路光信号向量由一侧输入，传递到第一个可调制密集波导阵列，经过调制重新分配分光比；再经过功率调制器，对每一路信号的功率强度进行调制；调制后，输入第二个可调制密集波导阵列，对光信号向量进行进一步的光信号分配后输出；经过整个网络结构输出的光信号向量与输入的多路光信号向量实现任意线性变换关系。2.根据权利要求1所述的密集波导阵列的片上光学器件光计算网络结构，其特征在于：所述的密集波导阵列的片上光学器件光计算网络结构为U
×
S
×
V矩阵，其中U和V为酉矩阵，S为对角矩阵。3.根据权利要求2所述的密集波导阵列的片上光学器件光计算网络结构，其特征在于：所述网络结构还包括输入端口阵列和输出端口阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱橙，李泽安，陈泳屹，贾鹏，梁磊，宋悦，周志鹏，秦莉，王立军，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：