一种基于光频梳以及双微环调制器的光子处理器制造技术

本申请提出了一种基于光频梳以及双微环调制器的光子处理器，涉及光子器件领域，包括：光信号层，生成多个包含等间距分隔波长分量的光频梳信号，并将经处理后产生的光信号均匀分配；输入信号层，通过对马赫曾德尔调制器阵列施加电信号，使其输出的光信号执行输入张量的映射；权重信号层，将权重张量作为双微环调制器阵列的电信号输入，与输入信号层作用以执行矩阵运算或卷积运算；矩阵运算求和层，用于在执行矩阵运算时将不同波长的光信号相加；卷积运算求和层，用于在执行卷积运算时，将处于不同时间段内的光信号耦合到合路器执行求和运算，并将求和后的光信号转换为电信号。本申请能够实现大规模的矩阵和卷积运算，且结构具有可扩展性。可扩展性。可扩展性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光频梳以及双微环调制器的光子处理器


[0001]本申请涉及光子器件领域，尤其涉及一种基于光频梳以及双微环调制器的光子处理器。

技术介绍

[0002]由于大数据的兴起，人工神经网络的性能得到大幅度提升，并且被广泛应用于自然语言处理，材料科学以及生物信息等领域。但是受限于传统的冯诺依曼结构的限制，基于电子器件人工神经网络的硬件实现存在一定瓶颈。这种结构适用于串行化以及数字化的运算，而人工神经网络因为要执行大规模的线性运算因此更适用于分布式，并行化的计算。并且为了满足实际的需求，需要处理器能够提高处理速度并降低能耗。
[0003]由于光子为玻色子并且具有更高的频率，因而基于光子器件的处理器能够有效解决以上问题。目前利用光子器件实现卷积运算的方案包括波分复用方案和相干方案，波分复用方案的原理是先通过色散效应将不同波长的光信号分布到不同时间段内进行乘法运算，然后通过反常色散光纤将分布在不同时间段内的光信号压缩到同一时间段内实现求和运算功能；相干方案则是基于矩阵分解原理将所要实现的矩阵分解为三个不同的子矩阵后，然后用三个级联的马赫曾德尔干涉仪网络来分别执行这三个矩阵的功能。
[0004]以上方案的提出主要针对于神经网络中的矩阵运算或者卷积运算。基于相干方案的光子处理器针对于矩阵运算的计算模式，执行卷积运算时则会使用到更多的光子器件，使得整个系统更加复杂；而基于色散效应的波分复用方案用于实现卷积运算的计算模式，在执行矩阵运算时由于会引起时间延迟从而降低矩阵运算的效率并且难以在片上实现有效的色散效应。
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技术实现思路

[0005]针对上述问题，本申请提出了一种基于光频梳以及双微环调制器的光子处理器，通过结合光频梳丰富的波长分量实现大规模的矩阵运算以及卷积操作，并通过双微环调制器的作用在其不同端口可以分别实现卷积操作和矩阵乘法的操作，从而加速神经网络的运算，该光子处理器包括：
[0006]光信号层，用于生成多个包含等间距分隔波长分量的光频梳信号，并将经处理后产生的光信号均匀分配；
[0007]输入信号层，用于通过对马赫曾德尔调制器阵列施加电信号，使其输出的光信号执行输入张量的映射；
[0008]权重信号层，用于将矩阵运算或卷积运算的权重张量作为双微环调制器阵列的电信号输入，与所述输入信号层的信号作用以执行矩阵运算或卷积运算；
[0009]矩阵运算求和层，用于在执行矩阵运算时，基于第一光电探测器阵列将不同波长的光信号相加；
[0010]卷积运算求和层，用于在执行卷积运算时，将处于不同时间段内的光信号耦合到
合路器执行求和运算，并经过第二光电探测器阵列将求和后的光信号转换为电信号。
[0011]可选的，半导体激光器，用于提供连续波的光信号；
[0012]微环谐振器，用于根据非线性克尔效应产生多个包含等间距分隔波长分量的光频梳信号，以加速矩阵运算与卷积运算；
[0013]波形整形器，用于将不均匀的光频梳信号展平为不同波长分量但具有相同功率的光信号；
[0014]分束器，用于将产生的光信号均匀分配到输出端口；
[0015]所述分束器由级联的1
×
2的多模干涉仪、Y分支或者定向耦合器实现。
[0016]可选的，所述输入信号层，包括：
[0017]由多个马赫曾德尔调制器构成的所述马赫曾德尔调制器阵列，用于将矩阵运算或卷积运算中的输入张量作为所述马赫曾德尔调制器的电信号输入，实现输入张量的映射。
[0018]可选的，所述权重信号层包括由多个双微环调制器构成的所述双微环调制器阵列，每个双微环调制器包括交叉波导、微环调制器MRM_n和微环调制器MRM_s，用于：
[0019]在执行卷积运算时，通过热光效应将MRM_n的谐振波长移动至输入光信号的波长,之后通过电光效应使MRM_n的谐振波长与输入光信号的波长产生一定的偏差,通过调节该偏差值改变输入光信号经过MRM_n的透射率,来对应权重张量中的权重值，而MRM_s的谐振波长远离输入光信号的波长，处于休眠状态；
[0020]在执行矩阵运算时，通过热光效应将MRM_s的谐振波长移动至输入光信号的波长,之后通过电光效应使MRM_s的谐振波长与输入光信号的波长产生一定的偏差,通过调节该偏差值改变输入光信号经过MRM_s的透射率,来对应权重张量中的权重值，而MRM_n的谐振波长远离输入光信号的波长，处于休眠状态。
[0021]可选的，所述矩阵运算求和层，包括：
[0022]由多个光电探测器构成的所述第一光电探测器阵列，用于执行矩阵运算过程中的求和运算，该计算通过将不同波长的光信号相加实现。其中，第一光电探测器阵列中各光电探测器所接收的光功率，满足：
[0023]P1＝W11*X1+W21*X2+W31*X3；
[0024]P2＝W12*X1+W22*X2+W32*X3；
[0025]P3＝W13*X1+W23*X2+W33*X3；
[0026]其中，P1、P2、P3分别为所述第一光电探测器阵列内各光电探测器所接收到的光功率，X1、X2、X3分别为所述马赫曾德尔调制器阵列内各马赫曾德尔调制器输出的光信号，W11、W21、W31、W12、W22、W32、W12、W23与W33分别为所述双微环调制器阵列内各双微环调制器中MRM_s对于对应谐振波长附近光信号的透射率。
[0027]可选的，所述卷积运算求和层，包括：
[0028]光学延迟线阵列，用于分隔位于不同时刻的光信号；
[0029]定向耦合器阵列，用于将位于不同时刻的光信号耦合到合波器阵列中；
[0030]所述合波器阵列，用于将所述定向耦合器阵列耦合出来的光信号合波到同一波导中，实现求和；
[0031]第二光电探测器阵列，用于在执行卷积运算时，将光信号转换为电信号。
[0032]本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：
[0033]通过结合光频梳丰富的波长分量实现大规模的矩阵运算以及卷积操作，通过双微环调制器的作用，在双微环调制器的north端和south端分别实现卷积操作和矩阵乘法的操作，从而加速神经网络的运算，且本申请提出结构具有可扩展性且能够单片集成，能适应大规模线性运算的需求。
[0034]本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
[0035]本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0036]图1是根据本申请实施例示出的一种基于光频梳以及双微环调制器的光子处理器的结构图；
[0037]图2是根据本申请实施例示出的双微环调制器的结构图；
[0038]图3是根据本申请实施例示出的光子处理器执行卷积操作的结构图
[0039]图4是根据本申请实施例示出的光子处理器执行矩阵操作的结构图；
[0040]图5是根据本申请实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光频梳以及双微环调制器的光子处理器，其特征在于，包括：光信号层，用于生成多个包含等间距分隔波长分量的光频梳信号，并将经处理后产生的光信号均匀分配；输入信号层，用于通过对马赫曾德尔调制器阵列施加电信号，使其输出的光信号执行输入张量的映射；权重信号层，用于将矩阵运算或卷积运算的权重张量作为双微环调制器阵列的电信号输入，与所述输入信号层的信号作用以执行矩阵运算或卷积运算；矩阵运算求和层，用于在执行矩阵运算时，基于第一光电探测器阵列将不同波长的光信号相加；卷积运算求和层，用于在执行卷积运算时，将处于不同时间段内的光信号耦合到合路器执行求和运算，并经过第二光电探测器阵列将求和后的光信号转换为电信号。2.根据权利要求1所述的基于光频梳以及双微环调制器的光子处理器，其特征在于，所述光信号层，包括：半导体激光器，用于提供连续波的光信号；微环谐振器，用于根据非线性克尔效应产生多个包含等间距分隔波长分量的光频梳信号，以加速矩阵运算与卷积运算；波形整形器，用于将不均匀的光频梳信号展平为不同波长分量但具有相同功率的光信号；分束器，用于将产生的光信号均匀分配到输出端口；所述分束器由级联的1
×
2的多模干涉仪、Y分支或者定向耦合器实现。3.根据权利要求1所述的基于光频梳以及双微环调制器的光子处理器，其特征在于，所述输入信号层，包括：由多个马赫曾德尔调制器构成的所述马赫曾德尔调制器阵列，用于将矩阵运算或卷积运算中的输入张量作为所述马赫曾德尔调制器的电信号输入，实现输入张量的映射。4.根据权利要求1所述的基于光频梳以及双微环调制器的光子处理器，其特征在于，所述权重信号层包括由多个双微环调制器构成的所述双微环调制器阵列，每个双微环调制器包括交叉波导、微环调制器MRM_n和微环调制器MRM_s，用于：在执行卷积运算时，通过热光效应将MRM_n的谐振波长移动至输入光信号的波...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘炜炜，熊婉姝，宫敏，姚偌云，彭张皖，吉晨，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：