DE102004014658B4

DE102004014658B4 - Optical matrix vector multiplier

Info

Publication number: DE102004014658B4
Application number: DE200410014658
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr. Seyringer; Johann Dipl.-Phys. Schermer
Original assignee: PHOTEON TECHNOLOGIES GmbH
Current assignee: PHOTEON TECHNOLOGIES GmbH
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2010-07-01
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: DE102004014658A1

Abstract

Optischer Vektor-Matrix Multiplizierer zur Durchführung einer Vektor-Matrix Multiplikation der Form A·X → = Y → zur Multiplikation von analogen Signalen, wobei A eine Matrix mit m·n Elementen, X → ein Vektor mit n Elementen und Y → ein Vektor mit m Elementen ist, wobei alle Elemente einen Definitionsbereich in einem Intervall der reellen Zahlen haben, umfassend:
extern eine Anzahl von n einzelnen, regelbaren Lichtquellen (5) für den Eingangsvektor X →,
extern eine Anzahl von n einzelnen optischen Detektoren (6) zum Auslesen des Ausgangsvektors Y →,
eine integrierte optische Anordnung der Multiplikationszellen auf einem Chip, einschließlich
einer Anzahl von n Eingangswellenleitern (1);
einer Anzahl von m Ausgangswellenleitern (3);
einer Anzahl von m·n Matrixwellenleitern (2),
wobei alle Eingangs-, Ausgangs- und Matrixwellenleiter (1, 3, 2) als planare Wellenleiter schichtweise übereinander aufgebaut sind,
wobei jeweils eine Zeile von m Matrixwellenleitern (2) eingangsseitig mit jeweils einem Eingangswellenleiter (1) gekoppelt ist und jeweils eine...Optical vector matrix multiplier for performing a vector matrix Multiplication of the form A · X → = Y → for multiplication of analog signals, where A is a matrix with m × n elements, X → a vector with n elements and Y → a vector with m elements, where all elements have a domain of definition in an interval of real numbers, comprising:
externally a number of n individual controllable light sources (5) for the input vector X →,
externally a number of n individual optical detectors (6) for reading out the output vector Y →,
an integrated optical arrangement of the multiplication cells on a chip, including
a number of n input waveguides (1);
a number of m output waveguides (3);
a number of m × n matrix waveguides (2),
wherein all input, output and matrix waveguides (1, 3, 2) are constructed in layers as planar waveguides,
wherein in each case one row of m matrix waveguides (2) is coupled on the input side to one input waveguide (1) and in each case one ...

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft einen optischen Matrix-Vektor Multiplizierer, insbesondere einen als integriertes optisches Bauteil ausgebildeten Matrix-Vektor Multiplizierer.The The invention relates to an optical matrix vector multiplier, in particular designed as an integrated optical component Matrix vector multiplier.

Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the state of technology

Mit der vorliegenden Erfindung lässt sich eine Matrix-Vekor Multiplikation durchführen, bei der ein n-dimensionaler Vektor X → mit einer m·n-dimensionalen Matrix A multipliziert wird. Als Ergebnis erhält man einen m-dimensionalen Vektor Y →.With of the present invention perform a matrix-vecor multiplication, in which an n-dimensional Vector X → with a mn-dimensional matrix A is multiplied. The result is an m-dimensional vector Y →.

Das Standardverfahren um eine Matrix-Multiplikation auf optischem Weg durchzuführen besteht darin, dass man Lichtstrahlen durch eine optische Schicht mit variabel einstellbarer Transparenz (z. B. LCD-Display) sendet und die verbleibende Intensität des Lichtes auf der anderen Seite der Schicht misst und als Ergebnis ausgibt. Die Intensität der eingekoppelten Lichtstahlen entspricht den Werten des Vektors X →. Die Matrix A wird durch mm optische Elemente mit einstellbarer Transparenz gebildet. Die Höhe der Transparenz der einzelnen Elemente entspricht den Werten der Matrix A. Nach diesem Prinzip arbeitende optische Vektor-Matrix Multiplizierer finden sich zu Beispiel in US 4 800 519 A , EP 0 330 710 A1 , SU 1 299 362 A1 , SU 1 365 967 A1 , WO 87/05423 A1 , US 4 009 380 A , US 2 079 873 A , RU 2 152 070 C1 , RU 2 133 494 C1 , US 4 592 004 A , US 4 620 293 A , US 4 800 519 A , US 4 843 587 A , US 4 937 776 A oder US 5 099 448 A .The standard method to perform matrix multiplication by optical means is to transmit light rays through an optical layer of variably adjustable transparency (eg, LCD display) and measure the remaining intensity of the light on the other side of the layer, and as Output results. The intensity of the coupled light beams corresponds to the values of the vector X →. The matrix A is formed by mm optical elements with adjustable transparency. The level of transparency of the individual elements corresponds to the values of the matrix A. Optical vector matrix multipliers operating according to this principle can be found, for example, in FIG US 4,800,519 A . EP 0 330 710 A1 . SU 1 299 362 A1 . SU 1 365 967 A1 . WO 87/05423 A1 . US 4,009,380 A . US 2 079 873 A . RU 2 152 070 C1 . RU 2 133 494 C1 . US Pat. No. 4,592,004 A . US Pat. No. 4,620,293 A . US 4,800,519 A . US 4,843,587 A . US 4,937,776 A or US 5 099 448 A ,

Neben diesem Standardverfahren gibt es noch einige weniger verbreitete Ansätze, wie zum Beispiel die Verwendung von Freistrahloptik kombiniert mit Hologrammen ( US 5 321 639 A ), Vierwellenmischen als Ersatz für die transparenten Elemente ( US 4 948 212 A ), Akusto-Optische Modulatoren anstatt des transparenten Elementes ( US 4 633 428 A ), eine Reihe von hintereinandergeschalteten Kopplern, durch die ein Wellenleiter durchgeschleift wird ( US 4 588 255 A , EP 099 193 A2 ), elektro-optische Materialien mit Kopplern, wo der Kopplungskoeffizient als Funktion des elektrischen Feldes sich ändert ( US 4 125 316 A ), Glasfaser-Koppler, bei denen das Licht an einem elektro-optischen Modulator verschieden stark reflektiert wird ( US 4 482 805 A ) oder Polarisationsmodulatoren, bei denen am Schluss die Polarisationsmodulation in eine Intensitätsmodulation umgesetzt wird ( US 3 944 820 A ).In addition to this standard method, there are some less common approaches, such as the use of free-space optics combined with holograms ( US 5,321,639 A ), Four-wave mixing as a substitute for the transparent elements ( US Pat. No. 4,948,212 ), Acousto-optical modulators instead of the transparent element ( US 4 633 428 A ), a series of cascaded couplers through which a waveguide is looped through ( US 4,588,255 . EP 099 193 A2 ), electro-optic materials with couplers, where the coupling coefficient as a function of the electric field changes ( US 4 125 316 A ), Glass-fiber couplers in which the light is reflected to a different degree on an electro-optical modulator ( US 4 482 805 A ) or polarization modulators in which the polarization modulation is finally converted into an intensity modulation ( US Pat. No. 3,944,820 ).

Von allen diesen Lösungen bilden die US 3 944 820 A und US 4 482 805 A den nächstkommenden Stand der Technik bezüglich der Erfindung. Die US 4 482 805 A betrifft einen diskret aufgebauten Vektor-Matrix Multiplizierer. Der Multiplizierer beruht rein auf Glasfasertechnologie, wobei die Modulation des Lichts durch variable Reflexion an entsprechenden Modulatoren erreicht wird. Es wird ein bidirektionales Layout verwendet, das heißt die Ausgänge sind auf der Eingangsseite. Die Nachteile dieser Lösung sind die relativ großen Abmaße und die schlechte Trennung zwischen Eingängen und Ausgängen.Of all these solutions form the US Pat. No. 3,944,820 and US 4 482 805 A the closest prior art with respect to the invention. The US 4 482 805 A concerns a discrete vector matrix multiplier. The multiplier is based purely on fiber optic technology, whereby the modulation of the light is achieved by variable reflection at corresponding modulators. A bidirectional layout is used, that is, the outputs are on the input side. The disadvantages of this solution are the relatively large dimensions and the poor separation between inputs and outputs.

Die US 3 944 820 A beschreibt einen Vektor-Matrix Multiplizierer in Form einer integriert-optischen Lösung. Die Matrix-Multiplikation wird hier durch Kontrolle und Variation der Polarisation der Lichtstrahlen erreicht. Diese Polarisationssteuerung hat den Nachteil, dass sie nicht mehr eingesetzt werden kann, wenn es zu inhomogenen Erwärmungen des optischen Chips kommt. Durch Erwärmungen entstehen Spannungsfelder, welche zu nicht kontrollierbaren Polarisationsänderungen führen, wodurch die Ergebnisse der Matrixmultiplikation fehlerhaft werden.The US Pat. No. 3,944,820 describes a vector-matrix multiplier in the form of an integrated-optical solution. The matrix multiplication is here by controlling and varying the polarization of the light rays he enough. This polarization control has the disadvantage that it can no longer be used when it comes to inhomogeneous heating of the optical chip. Warming creates stress fields that result in uncontrollable polarization changes, thereby flawing the results of matrix multiplication.

Die US 5 448 749 A offenbart einen Vektor-Matrix Multiplizierer, der ausschließlich zur Multiplikation von digitalen Eingangssignalen mit den Zuständen „0” und „1” geeignet ist. Der Aufbau des Multiplizierers unterscheidet sich ferner grundlegend vom Aufbau des erfindungsgemäßen Multiplizierers. Beispielsweise ist keine Führung der Lichtsignale mittels Eingangs- und Ausgangswellenleitern, die jeweils durch Matrixwellenleiter miteinander gekoppelt sind. M. Gruber et al.: „Planar-integrated optical vector-matrix multiplier”, Applied Optics, Vol. 39, No. 29, 10 October 2000, Seiten 5367–5373, offenbaren ebenfalls einen Multiplizierer für digitale Eingangssignale, der sich grundlegend vom Aufbau des erfindungsgemäßen Multiplizierers unterscheidet.The US 5,448,749 A discloses a vector matrix multiplier suitable only for multiplication of input digital signals having the states "0" and "1". The structure of the multiplier also differs fundamentally from the structure of the multiplier according to the invention. For example, there is no guidance of the light signals by means of input and output waveguides, which are each coupled to one another by matrix waveguides. M. Gruber et al .: "Planar-integrated optical vector-matrix multiplier", Applied Optics, Vol. 29, 10 October 2000, pages 5367-5373, also disclose a multiplier for digital input signals, which differs fundamentally from the structure of the inventive multiplier.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen optischen Matrix-Vektor Multiplizierer anzugeben, der in Form eines integriert-optischen Chips realisierbar ist und eine schnelle Multiplikation eines Vektors mit einer Matrix auf optischem Weg erlaubt. Der Multiplizierer soll ferner unempfindlich gegenüber temperaturbedingten Störeinflüssen sein.It The object of the invention is an optical matrix vector multiplier specify that can be realized in the form of an integrated-optical chip is and a fast multiplication of a vector with a matrix optical path allowed. The multiplier should also be insensitive across from be temperature-related disturbing influences.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Multiplizierer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.These Task is achieved by a multiplier with the features of claim 1 solved.

Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.preferred Embodiments and advantageous features of the invention are in the dependent claims specified.

Erfindungsgemäß umfasst der Vektor-Matrix Multiplizierer eine Anzahl von n Eingangswellenleitern, eine Anzahl von m Ausgangswellenleitern und eine Anzahl von m·n Matrixwellenleitern, wobei jeweils eine Zeile von m Matrixwellenleitern eingangsseitig mit jeweils einem Eingangswellenleiter gekoppelt ist und jeweils eine Spalte von n Matrixwellenleitern ausgangsseitig mit jeweils einem Ausgangswellenleiter gekoppelt ist. Jedem Matrixwellenleiter ist ein Modulator zugeordnet, das heißt insgesamt ist eine Anzahl von m·n Modulatoren vorgesehen. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die integriert-optische Anordnung insbesondere der Multiplikationszellen, auf einem Chip und die Ausnutzung der variablen Lichtabsorption über das quergedämpfte Feld am Außenrand der jeweiligen Matrix-Wellenleiter zur Modulation.According to the invention the vector matrix multiplier has a number of n input waveguides, one Number of m output waveguides and a number of m × n matrix waveguides, in each case one row of m matrix waveguides on the input side is coupled with one input waveguide and one each Column of n matrix waveguides on the output side with one each Output waveguide is coupled. Each matrix waveguide is a modulator is assigned, that is a total of a number of m · n Provided modulators. An important feature of the invention is the integrated-optical arrangement, in particular of the multiplication cells, on a chip and taking advantage of the variable light absorption over the cross-damped field on the outer edge the respective matrix waveguide for modulation.

Die Hauptunterschiede gegenüber dem Stand der Technik sind, dass US 4 482 805 rein auf Glasfasertechnologie beruht, während die erfindungsgemäße Lösung auf integrierter Optik beruht. Die Modulation bei US 4 482 805 wird durch variable Reflexion an den Modulatoren erreicht während die Erfindung auf einer variablen Absorption in Transmissionsrichtung beruht. Die US 4 482 805 verwendet ein bidirektionales Layout, das heißt die Ausgänge sind auf der Eingangsseite, während bei der Erfindung die Ein- und Ausgänge sauber getrennt sind.The main differences from the prior art are that U.S. 4,482,805 purely based on fiber optic technology, while the inventive solution is based on integrated optics. The modulation at U.S. 4,482,805 is achieved by variable reflection on the modulators while the invention is based on a variable absorption in the transmission direction. The U.S. 4,482,805 uses a bidirectional layout, that is the outputs are on the input side, while in the invention the inputs and outputs are cleanly separated.

Es sind noch weitere Vorteile der Erfindung zu nennen:

– Wenn der Matrixwellenleiter in der mittleren Schicht in einem (bogenförmigen) Winkel von der Seite an den unteren Eingangswellenleiter angenähert wird, können die Streuverluste reduziert werden.
– Dadurch dass nur die Amplitude und nicht die Polarisation des Lichts für die Multiplikation verwendet wird, ist der Chip unempfindlich gegenüber temperaturinduzierten Spannungsfeldern, die zu Änderungen der Polarisation führen.
– Wie bei allen planar-optischen Anordnungen kann man durch Ätzgruben die Position der Laser und Detektoren genau vorgeben, wodurch die exakte Positionierung dieser Elemente viel einfacher und billiger wird, als bei anderen Lösungsansätzen, die beispielsweise auf Freistrahloptik beruhen und wo die Ausrichtung der einzelnen Elemente sehr aufwendig ist.

There are still other advantages of the invention:

- When the matrix waveguide in the middle layer is approximated at an angle (arcuate) from the side to the lower input waveguide, the leakage losses can be reduced.
By using only the amplitude and not the polarization of the light for the multiplication, the chip is insensitive to temperature-induced voltage fields which lead to changes of the polarization.
As with all planar-optical arrangements, the position of the lasers and detectors can be accurately predicted by etching pits, making the exact positioning of these elements much easier and cheaper than other solutions based on, for example, free-beam optics and where the orientation of the individual elements very expensive.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Hierbei ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Gestaltungsmöglichkeiten der Erfindung.following becomes an embodiment of the invention explained with reference to the drawings. This results Further features, advantages and design options of the invention.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 zeigt schematisch den Aufbau eines auf einem optischem Chip integrierten Vektor-Matrix-Multiplikators mit m·n Multiplikationszellen und externen Lichtquellen und Detektoren. 1 schematically shows the structure of an integrated on an optical chip vector matrix multiplier with m x n multiplication cells and external light sources and detectors.

2a, 2b, 2c zeigen schematisch den Aufbau einer Multiplikationszelle des Multiplikators gemäß 1 in drei Ansichten. 2a . 2 B . 2c schematically show the structure of a multiplication cell of the multiplier according to 1 in three views.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der ErfindungDescription of a preferred embodiment the invention

Um eine Vektor-Matrix Multiplikation der Form

durchführen zu können, braucht man m·n Multiplikationszellen, die erfindungsgemäß auf einem optischen Chip realisiert sind.To make a vector matrix multiplying the shape

To be able to perform, one needs m · n multiplication cells, which are realized according to the invention on an optical chip.

Die einzelnen Multiplikationszellen der Matrix A sind dabei alle gleich aufgebaut. Aus Gründen der praktischen Realisierung sind jedoch die Zeilen und Spalten der Matrix vertauscht angeordnet. Die Matrixelemente einer Zeile, z. B. a₁₁, a₁₂, a₁₃, ..., a_1n, verlaufen nach unten, während die Elemente einer Spalte, z. B. a₁₁, a₂₁, a₃₁, ..., a_m1, nach rechts verlaufen. Die einzelnen Elemente des Vektor X → = (x₁, x₂, x₃, ..., x_n) sind durch variable Lichtquellen realisiert. Als Lichtquellen können vorzugsweise einzelne Laserdioden bzw. ein Laserarray verwendet werden. Der Wert der Elemente x₁, x₂, x₃, ..., x_n wird durch die jeweilige von der Lichtquelle eingespeiste Lichtenergie bestimmt. Das Ergebnis der Multiplikation wird durch Detektoren ermittelt. Der Wert der detektierten Lichtenergie wird den jeweiligen Elementen des Ergebnisvektors Y → = (y₁, y₂, y₃, ..., y_m) zugeordnet.The individual multiplication cells of the matrix A are all the same structure. For reasons of practical implementation, however, the rows and columns of the matrix are arranged reversed. The matrix elements of a line, z. B. a ₁₁ , a ₁₂ , a ₁₃ , ..., a _1n , run down, while the elements of a column, for. B. a ₁₁ , a ₂₁ , a ₃₁ , ..., a _m1 , to the right. The individual elements of the vector X → = (x ₁ , x ₂ , x ₃ , ..., x _n ) are realized by variable light sources. As light sources, preferably individual laser diodes or a laser array can be used. The value of the elements x ₁ , x ₂ , x ₃ ,..., X _n is determined by the respective light energy fed by the light source. The result of the multiplication is determined by detectors. The value of the detected light energy is assigned to the respective elements of the result vector Y → = (y ₁ , y ₂ , y ₃ ,..., Y _m ).

Um das Prinzip des Multiplizierers zu erläutern schauen wir uns die Matrixzelle a₁₁ links oben in der Ecke an, da bei ihr alle wesentlichen Elemente des Multiplizierers einschließlich Lichtquelle und Detektor, vorhanden sind. Diese Zelle a₁₁ ist in den 2a, 2b und 2c im einzelnen dargestellt.To explain the principle of the multiplier, let's look at the matrix cell a ₁₁ in the upper left corner, since it contains all the essential elements of the multiplier, including the light source and the detector. This cell a ₁₁ is in the 2a . 2 B and 2c shown in detail.

Der optische Chip ist schichtweise aufgebaut und umfasst übereinander liegende Schichten, in denen mehrere planare Wellenleiter 1, 2, 3 eingebettet sind. Ein Eingangswellenleiter 1 führt von Zelle a₁₁, über Zelle a₂₁ bis hin zur Zelle a_m1. In den Wellenleiter 1 wird über die Lichtquelle 5 Lichtenergie eingespeist. Innerhalb jeder Matrixzelle, siehe Zelle a₁₁, ist ein Matrixwellenleiter 2 vorgesehen, der im wesentlichen oberhalb und parallel zum zugeordneten Eingangswellenleiter 1 geführt ist. Dabei wird ein bestimmter Anteil der im Eingangswellenleiter 1 vorhandenen Lichtenergie in den Matrixwellenleiter 2 gekoppelt. Um Streuverluste zu minimieren, wird der Anfang des Matrixwellenleiters 2 in einem Bogen gegen den Eingangswellenleiter 1 geführt. Würde der Matrixwellenleiter 2 unmittelbar parallel über dem Eingangswellenleiter 1 beginnen, würde sich an der Stelle wo der Matrixwellenleiter 2 anfängt eine Kante ergeben, an der das Licht streuen würde, was unter anderem zu unerwünschtem „Signal-Rauschen” führen würde.The optical chip is built up in layers and comprises superimposed layers, in which several planar waveguides 1 . 2 . 3 are embedded. An input waveguide 1 leads from cell a ₁₁ , via cell a ₂₁ , to cell a _m1 . In the waveguide 1 is about the light source 5 Light energy fed. Within each matrix cell, see cell a ₁₁ , is a matrix waveguide 2 provided substantially above and parallel to the associated input waveguide 1 is guided. In this case, a certain proportion of the input waveguide 1 existing light energy in the matrix waveguide 2 coupled. To minimize stray losses, the beginning of the matrix waveguide 2 in a bow against the input waveguide 1 guided. Would the matrix waveguide 2 immediately parallel over the input waveguide 1 would begin, at the point where the matrix waveguide 2 begins to give an edge at which the light would scatter, which among other things would lead to undesirable "signal noise".

Der Abstand d zwischen den beiden Wellenleitern 1 und 2 und die Strecke s über die sie parallel übereinander geführt werden, sind dabei so berechnet, dass nur ein ganz bestimmter Teil der Lichtenergie vom Eingangswellenleiter 1 in den Matrixwellenleiter 2 koppeln kann. Bei einer Anzahl von m Multiplikationszellen nebeneinander wird ein Anteil von 1/m der von der Lichtquelle 5 in den Wellenleiter 1 eingespeisten Lichtenergie in den Wellenleiter 2 gekoppelt. In der Praxis muss daher berücksichtigt werden, dass die von der Lichtquelle 5 zur Verfügung gestellte Lichtleistung dem m-fachen Wert des jeweiligen Vektorelements, z. B. x₁, betragen muss, oder der Faktor m (rechnerisch) im Ergebnisvektor berücksichtigt werden muss.The distance d between the two waveguides 1 and 2 and the distance s over which they are guided parallel to each other, are calculated so that only a very specific part of the light energy from the input waveguide 1 in the matrix waveguide 2 can couple. With a number of m multiplication cells side by side, a proportion of 1 / m becomes that of the light source 5 in the waveguide 1 fed light energy into the waveguide 2 coupled. In practice, therefore, must be taken into account that of the light source 5 provided light power m times the value of each vector element, z. B. x ₁ , must be, or the factor m (computationally) must be considered in the result vector.

In einer weiteren Schicht des optischen Chips ist ein Ausgangswellenleiter 3 angeordnet, der im gezeigten Beispiel senkrecht zum Eingangswellenleiter 1 verläuft. Die in dem Matrixwellenleiter 2 der Zelle a₁₁ eingebrachte Lichtenergie, die dem Wert x₁ des Vektors X → entspricht, wird in den Ausgangswellenleiter 3 gekoppelt. Hierzu wird der Matrixwellenleiter 2 dem Ausgangswellenleiter 3 in einem spitzen Winkel angenähert und so lange parallel unter dem Ausgangswellenleiter 3 entlang geführt, bis die gesamte im Wellenleiter 2 enthaltene Lichtenergie in den Ausgangswellenleiter 3 gekoppelt ist.In another layer of the optical chip is an output waveguide 3 arranged, in the example shown perpendicular to the input waveguide 1 runs. The in the matrix waveguide 2 the cell a ₁₁ introduced light energy, which corresponds to the value x _{1 of} the vector X →, is in the output waveguide 3 coupled. For this purpose, the matrix waveguide 2 the output waveguide 3 approached at an acute angle and so long in parallel under the output waveguide 3 Guided along until the entire in the waveguide 2 contained light energy into the output waveguide 3 is coupled.

Jedem Matrixwellenleiter 2 ist ein Modulator 4, vorzugsweise in Form eines variablen Dämpfungselements zugeordnet. Durch dieses Dämpfungselement kann die im Matrixwellenleiter 2 geführte Lichtenergie beliebig abgeschwächt werden, wobei der Faktor der Abschwächung in 2 dem durch den Wert des Matrixelements a₁₁ bestimmten Multiplikationsfaktor entspricht. Der Wert des Vektorelements x₁ wird also mit diesem Multiplikationsfaktor (Abschwächungsfaktor) multipliziert. Die Modulatoren 4 sind also Einheiten, deren Absorptionsverhalten aufgrund eines Eingangssignals, z. B. elektrischen Signals, veränderlich ist, so dass die Intensität des Lichtes im benachbarten Wellenleiter gesteuert werden kann.Each matrix waveguide 2 is a modulator 4 , preferably assigned in the form of a variable damping element. By this damping element can in the matrix waveguide 2 guided light energy can be arbitrarily attenuated, the factor of attenuation in 2 corresponds to the determined by the value of the matrix element a ₁₁ multiplication factor. The value of the vector element x ₁ is therefore multiplied by this multiplication factor (attenuation factor). The modulators 4 So are units whose absorption behavior due to an input signal, eg. B. electrical signal, is variable, so that the In intensity of the light in the adjacent waveguide can be controlled.

Der Modulator 4 kann praktisch auf jedem bekannte optische Effekt basieren, der zu einer Reduzierung der Lichtintensität in einem Wellenleiter führt. Im Rahmen der Erfindung wird vorzugsweise ein variables Dämpfungselement, ein sogenannter VOA (= Variable Optical Attenuator), verwendet. Ein solcher VOA ist z. B. in der DE 102 22 151 A1 offenbart. Hierbei wird zum Beispiel der Effekt ausgenutzt, dass durch gezieltes Auskoppeln von Licht aus dem Matrixwellenleiter 2 eine Verringerung der Lichtenergie erreicht werden kann. Eine Möglichkeit der Realisierung könnte sein, dass neben dem eigentlichen Matrixwellenleiter 2 noch ein Stück eines Polymerwellenleiter 4 angeordnet ist, dessen Brechzahl normalerweise gleich groß ist wie die Brechzahl des „Mantels” des Wellenleiters 2, das heißt die Brechzahl des den Wellenleiter 2 umgebenden Materials. Somit gibt es keine Dämpfung für das Licht im Wellenleiter 2. Die Brechzahl des Polymerwellenleiters kann aber durch Temperaturerhöhung oder Anlegen eines elektrischen Feldes geändert werden, wobei sich die Brechzahl proportional zur Temperatur/Feldstärke erhöht. Durch Erhöhung der den Wellenleiter 2 umgebenden Brechzahl im Bereich des Dämpfungselements 4 wird Licht vom Wellenleiter 2 in diesen Polymerbereich mit der höheren Brechzahl gekoppelt, das heißt erreicht im Wellenleiter 2 eine Dämpfung proportional zur angelegten Temperatur/Feldstärke.The modulator 4 can be based practically on any known optical effect, which leads to a reduction of the light intensity in a waveguide. In the context of the invention, a variable damping element, a so-called VOA (= variable optical attenuator), is preferably used. Such a VOA is z. B. in the DE 102 22 151 A1 disclosed. In this case, for example, the effect is exploited that by targeted decoupling of light from the matrix waveguide 2 a reduction of the light energy can be achieved. One possibility of the realization could be that in addition to the actual matrix waveguide 2 another piece of polymer waveguide 4 is arranged, whose refractive index is normally the same size as the refractive index of the "cladding" of the waveguide 2 , that is the refractive index of the waveguide 2 surrounding material. Thus, there is no attenuation for the light in the waveguide 2 , However, the refractive index of the polymer waveguide can be changed by increasing the temperature or applying an electric field, wherein the refractive index increases in proportion to the temperature / field strength. By increasing the waveguide 2 surrounding refractive index in the region of the damping element 4 becomes light from the waveguide 2 coupled in this polymer region with the higher refractive index, that is achieved in the waveguide 2 a damping proportional to the applied temperature / field strength.

Alternativ kann das Dämpfungselement 4 aus bestimmten Materialien, z. B. Gallium-Arsenid (GaAs), bestehen. Bei diesen Materialien kann man durch Anlegen elektrischer Felder Ladungsträger in den benachbarten Wellenleiter 2 induzieren, die dann direkt das Licht im Wellenleiter 2 absorbieren als Funktion des elektrischen Feldes. Mit dieser Art von Dämpfungselement erhält man sehr schnelle Reaktionszeiten.Alternatively, the damping element 4 made of certain materials, eg. Gallium arsenide (GaAs). These materials can be charged by applying electric fields charge carriers in the adjacent waveguide 2 then directly induce the light in the waveguide 2 absorb as a function of the electric field. With this type of damping element you get very fast reaction times.

Das Dämpfungselement 4 kann ferner als eine dünne Siliziumbrücke ausgebildet sein, die neben dem Matrixwellenleiter entlang angeordnet ist. Durch Anlagen eines elektrischen Feldes kann die Siliziumbrücke dem Wellenleiter 2 angenähert werden, so dass Licht vom Wellenleiter 2 ausgekoppelt wird. Solche Anordnungen werden bei Mikro-Elektro-Mechanischen ”Chips” verwendet.The damping element 4 may also be formed as a thin silicon bridge, which is arranged along the matrix waveguide along. By applying an electric field, the silicon bridge can be the waveguide 2 be approximated, leaving light from the waveguide 2 is decoupled. Such arrangements are used in micro-electro-mechanical "chips".

Die Position der Modulatoren 4 muss nicht notwendigerweise über dem Wellenleiter 2 sein, sondern kann genauso gut unter oder neben dem Wellenleiter 2 sein (also irgendwo im unmittelbaren Nachbarbereich des Wellenleiters 2).The position of the modulators 4 does not necessarily have to be above the waveguide 2 It can be just as well under or next to the waveguide 2 be somewhere in the immediate vicinity of the waveguide 2 ).

Die Ausgangswellenleiter 3 erstrecken sich jeweils über eine Matrixzeile, zum Beispiel über die Matrixzellen a₁₁, a₁₂, a₁₃, ..., a_1n, der ersten Matrixzeile. Die in den Matrixwellenleitern 2 verbleibende Lichtenergie aller Matrixzellen a₁₁, a₁₂, a₁₃, ..., a_1n einer Zeile wird im zugeordneten Ausgangswellenleiter 3 aufsummiert. Die Summe der in den Wellenleitern 3 geführten Lichtenergie wird von jeweils einem Detektor, zum Beispiel einer Photodiode, ausgewertet. Die Höhe der Lichtenergie, welche an den Detektoren 6 registriert wird, entspricht dabei dem Ergebnisvektor Y → = (y₁, y₂, y₃, ..., y_m) der Matrixmultiplikation.The output waveguides 3 each extend over a matrix row, for example via the matrix cells a ₁₁ , a ₁₂ , a ₁₃ ,..., a _1n , of the first matrix row. The in the matrix waveguides 2 remaining light energy of all matrix cells a ₁₁ , a ₁₂ , a ₁₃ , ..., a _{1n of} a row is in the associated output waveguide 3 summed up. The sum of the in the waveguides 3 guided light energy is evaluated by a respective detector, for example a photodiode. The amount of light energy present at the detectors 6 is registered corresponds to the result vector Y → = (y ₁ , y ₂ , y ₃ , ..., y _m ) of the matrix multiplication.

Eine erfindungsgemäße Matrix-Vektor Multiplikation wird nun an eines einfachen numerischen Beispiels erläutert:
Es wird angenommen, dass das System eine 2×2 Matrix mit einem zweidimensionalen Vektor multiplizieren kann und 16 verschiedene Zustände für jeden Eintrag (also Beispielsweise die positiven ganzen Zahlen von 0 bis 15) erlaubt.An inventive matrix-vector multiplication will now be explained by a simple numerical example:
It is assumed that the system can multiply a 2 × 2 matrix by a two-dimensional vector and allow 16 different states for each entry (eg, the positive integers from 0 to 15).

Unter diesen Vorraussetzungen soll nun folgende einfache Matrix-Vektor Multiplikation durchgeführt werden:

Under these conditions, the following simple matrix vector multiplication is now to be carried out:

Das System kann 16 verschiedene Zustände unterscheiden. Das bedeutet, dass die Intensität der Lichtquelle 16 Intensitätsstufen (zwischen 0/16 = minimal und 16/16 = maximal) annehmen kann und die Absorptionselemente 16 verschiedene Absorptionsstärken von 0/16 = maximale Absorption bis 16/16 = minimale Absorption zulassen.The System can be 16 different states differ. This means that the intensity of the light source 16 intensity levels (between 0/16 = minimum and 16/16 = maximum) and the absorption elements 16 different absorption strengths of 0/16 = maximum absorption up to 16/16 = allow minimum absorption.

Die Werte des Eingangsvektors kodiert man, indem die dem ersten Vektorelement zugeordnete Lichtquelle auf 2/16 ihrer maximalen Leistung und die dem zweiten Vektorelement zugeordnete Lichtquelle auf 1/16 ihrer maximalen Leistung eingestellt wird. Bei der Matrix wird die Absorption der einzelnen Modulatoren so eingestellt, dass sie noch 2/16, 3/16, 1/16 und 4/16 des ankommenden Lichtes durchlassen.The Values of the input vector are encoded by the first vector element assigned light source to 2/16 of their maximum power and the the second vector element associated light source to 1/16 of her maximum power is set. In the case of the matrix, the absorption becomes of the individual modulators adjusted so that they are still 2/16, 3/16, Let through 1/16 and 4/16 of the incoming light.

Nehmen wir exemplarisch die Multiplikation des Vektorelements mit dem Wert 2 und dem ersten Matrixelement mit dem Wert 2. Der Vektorwert 2 wird durch 2/16 der maximalen Leistung der Lichtquelle kodiert und trifft dann auf den Modulator, der von dem ankommenden Licht noch 2/16 durchlässt, das heißt nach dem Modulator beträgt die Intensität des Lichts noch 4/256 des maximalen Wertes. Analog werden die übrigen Vektorelemente mit den entsprechenden Matrixelementen multipliziert und aufaddiert.To take we exemplify the multiplication of the vector element with the value 2 and the first matrix element with the value 2. The vector value 2 is coded by 2/16 of the maximum power of the light source and then hits the modulator, which still depends on the incoming light 2/16 lets through, this means after the modulator is the intensity of light still 4/256 of maximum value. The remaining vector elements become analog multiplied by the corresponding matrix elements and added up.

Bei der Interpretation der Intensität am Detektor muss man berücksichtigen, dass die Ergebniswerte auf den Maximalwert 256 normiert werden müssen, das heißt die Ergebniswerte werden mit 256 multipliziert, was elektronisch recht einfach realisiert werden kann. Dabei wird zum Beispiel die Maximalintensität von 15/256 auf den Wert 15 geeicht und Minimalintensität von 0/256 auf den Wert 0 geeicht.at the interpretation of the intensity at the detector you have to take into account that the result values must be normalized to the maximum value 256, the is called the result values are multiplied by 256, which is electronic quite easy to be realized. Here, for example, the maximum intensity calibrated from 15/256 to the value 15 and minimum intensity of 0/256 calibrated to the value 0.

Die Multiplikation sieht damit folgendermaßen aus:

The multiplication looks like this:

Claims

Optical vector matrix multiplier for performing a vector matrix Multiplication of the form A · X → = Y → for multiplication of analog signals, where A is a matrix with m × n elements, X → a vector with n elements and Y → a vector with m elements, where all elements have a domain of definition in an interval of real numbers, comprising: externally a number of n individual controllable light sources ( 5 ) for the input vector X →, externally a number of n individual optical detectors ( 6 ) for reading out the output vector Y →, an integrated optical arrangement of the multiplication cells on a chip, including a number of n input waveguides ( 1 ); a number of m output waveguides ( 3 ); a number of m × n matrix waveguides ( 2 ), all input, output and matrix waveguides ( 1 . 3 . 2 ) are constructed as planar waveguides in layers one above the other, wherein in each case one row of m matrix waveguides ( 2 ) on the input side, each with an input waveguide ( 1 ) and in each case one column of n matrix waveguides ( 2 ) on the output side, each with an output waveguide ( 3 ) is coupled; and a number of m * n modulators ( 4 ) in the form of variable damping elements, each one of a matrix waveguide ( 2 ) assigned.

Optical vector matrix multiplier according to claim 1, characterized in that each of the n input waveguides ( 1 ) with a controllable light source ( 5 ), the light energy of specific intensity in its associated input waveguide ( 1 ).

Optical vector matrix multiplier according to one of the preceding claims, characterized in that each of the m output waveguides ( 3 ) with an optical detector ( 6 ), which in the output waveguide ( 3 ) measures guided light energy.

Optical vector matrix multiplier according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguides ( 1 . 2 . 3 ) are planar waveguides which, together with the modulators ( 4 ) are integrated in an optical chip.

Optical vector matrix multiplier according to one of the preceding claims, characterized in that input waveguides ( 1 ), Matrix waveguides ( 2 ) and output waveguides ( 3 ) are arranged in different planes on an optical chip.

Optical vector matrix multiplier according to one of the preceding claims, characterized in that input waveguides ( 1 ), Matrix waveguides ( 2 ) and output waveguides ( 3 ) are arranged in at least two different planes on the optical chip.

Optical vector matrix multiplier according to one of the preceding claims, characterized in that each of the m matrix waveguides ( 2 ) a line on the input side along a coupling path s at a distance d parallel to the input waveguide ( 1 ), such that a be the percentage of votes in the input waveguide ( 1 ) contained in the optical waveguide ( 2 ) is coupled.

Optical vector matrix multiplier according to one of the preceding claims, characterized in that each of the n matrix waveguides ( 2 ) of a column on the output side relative to its associated output waveguide ( 3 ) is led to apply all its light energy to the output waveguide ( 3 ), so that in the output waveguide ( 3 ) the light energy of all matrix waveguides ( 2 ) is added to a column.

Optical vector matrix multiplier according to one of the preceding claims, characterized in that the modulators ( 4 ) are variable attenuation elements that have a certain proportion of the associated matrix waveguide ( 2 ) and thus control the light energy available in the matrix waveguide on the output side.

Optical vector matrix multiplier according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the modulators ( 4 ) are electro-optical damping elements.

Optical vector matrix multiplier according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the modulators ( 4 ) are acousto-optic damping elements.

Optical vector matrix multiplier according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the modulators ( 4 ) are thermo-optical damping elements.

Optical vector matrix multiplier according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the modulators ( 4 ) on an injection of charge carriers in the associated matrix waveguide ( 2 ) based damping elements are.