CN102147634A - 基于单波导耦合微环谐振腔的光学向量-矩阵乘法器 - Google Patents
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Abstract
一种基于单波导耦合微环谐振腔的光学向量-矩阵乘法器，包括：一衬底；一埋层，该埋层制作在衬底上；一顶层，该顶层制作在埋层上，该顶层的上面刻蚀有梳状结构，该梳状结构包括背部和齿部，该齿部的侧向刻蚀有可调谐微环谐振腔，齿部的每个齿与邻近的多个可调谐微环谐振腔相耦合形成级联多波长调制器；其中该梳状结构的背部的中间形成光信号输入端；该梳状结构的齿部的尾部形成光信号的输出端。
Description
技术领域
本发明涉及光信息处理技术领域，尤其涉及一种光学向量-矩阵乘法器。
背景技术
光学向量-矩阵乘法器是光学信号处理领域中应用非常广泛的光学系统。最早的光学向量-矩阵乘法器的模型是由美国Stanford大学的J.W.Goodman提出的，通常称为“斯坦福向量矩阵乘法器”。该光学向量-矩阵乘法器主要包括三个部分，即光源阵列、矩阵掩模和探测器阵列。首先利用一行发光二极管作为输入向量，在发光二极管阵列和矩阵掩模之间安排光路使每个发光二极管只照亮矩阵掩膜的一列，再在矩阵掩模后安排这样的光路，使来自矩阵掩模每一行的光聚焦在不同的探测元件上，于是掩模上每行透射的光在一个唯一的探测元件上按光学方式相加。该结构原理简单，但在技术实现上面临很多挑战。无论是光源阵列、探测器阵列，还是空间光调制器，从精度、维数到速度等指标，都有技术上的限制。此外，由于光信号在自由空间传播与分集，能量利用率低，系统设计与装调难度大。
光学向量矩阵乘法器的提出是在上世纪七十年代末，而从上世纪七十年代到如今这近半个世纪，正是微电子产业蓬勃发展的时期。如今在信息处理领域尤其数字计算方面，基于微电子学大规模集成电路而构建的信息处理系统由于其巨大的优势，占据着垄断的地位。以光子为媒质的信息处理相对于以电子作为媒质的信息处理的优势，如并行性好、带宽资源丰富，仍然存在。因而光学信息处理在特殊应用领域，如超高速计算，视频压缩，雷达信号处理等，仍然具有极大的应用潜力。不过，光学信号处理已不能作为电学信号处理的替代技术，而必须作为一种辅助手段，以类似于加速器的功能模块嵌入到系统中，提高系统的整体性能。这样，传统光学信号处理器与现代微电子信息处理系统的兼容性就成为一个必须解决的技术问题。
在解决光学系统和电学系统的兼容性方面，硅基光子学无疑具有巨大的潜力。首先，硅基光子学与微电子学所应用的材料都是相同的；其次，制作硅基波导器件的工艺与传统的CMOS工艺相兼容。这样，既可以节约开发新技术的成本，又能方便地实现器件的混合集成。目前，各种硅基光电器件已经得到验证，器件性能也在不断提升。这些光电器件主要包括：硅基激光器、硅基电光调制器、硅基光电探测器、以及各种基于硅波导的无源器件。在这样的背景下，我们利用硅基集成光学的办法，克服了传统信息光学的诸多瓶颈限制，提出一种集成化的光学向量-矩阵乘法器。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于单波导耦合微环谐振腔的光学向量-矩阵乘法器，以期避免传统光学向量-矩阵乘法器与电学系统兼容性差的缺点，并提高了器件的集成度和可扩展性。
为达到上述目的，本发明提供一种基于单波导耦合微环谐振腔的光学向量-矩阵乘法器，包括：
一衬底；
一埋层，该埋层制作在衬底上；
一顶层，该顶层制作在埋层上，该顶层的上面刻蚀有梳状结构，该梳状结构包括背部和齿部，该齿部的侧向刻蚀有可调谐微环谐振腔，齿部的每个齿与邻近的多个可调谐微环谐振腔相耦合形成级联多波长调制器；其中该梳状结构的背部的中间形成光信号输入端；该梳状结构的齿部的尾部形成光信号的输出端。
其中所述梳状结构为一分束器，其作用是将输入的光学信号分配到齿部的每个齿对应的级联多波长调制器中。
其中所述光信号输入端输入的光信号是具有同步周期的多波长信号，其中的每个波长信号表示数字量或表示离散的模拟量。
其中所述级联多波长调制器的作用是完成电学向量与输入光学向量的乘加运算，具体是：
级联多波长调制器中的每个可调谐微环谐振腔的谐振波长由一路电信号来控制；
利用可调谐微环谐振腔的波长选择特性完成对输入的多波长光信号中某一波长的独立调制；
在某个计算周期内，光学向量被二次调制后的多个波长信号的光强自然叠加，由光信号的输出端输出。
其中所述衬底为硅衬底。
其中所述埋层的材料是二氧化硅。
其中所述顶层的材料为硅。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、该方案避免了传统信息光学中复杂光路的设计。
2、该方案在光学信息的定义、分集设计方面的优点：首先，利用WDM信号定义光学向量，使得在一个物理通道内同时并行地传输多路信号，每个波长相当于虚拟了电学中的一条数据线，这样既简化了器件的设计，又提高了器件的集成度；其次，将输入向量分配到矩阵中不同向量时仍然采用空分的方式，充分利用了光的扇出特性；最后，由于微环谐振腔调制器的波长选择性，在不对输入向量(WDM信号)进行解复用的情况下，不同工作波长的调制器可以对相应波长的信号进行独立处理，避免了因解复用/复用过程带来的插入损耗。
3、微环谐振腔滤波谱线的窄带宽特性使其很适合做DWDM信号的处理，而硅基微纳光波导在整个通信波段都是透明的，因此该器件的具有很好的扩展性，可以充分发挥光信号并行性好的优势。
4、由于采用亚微米波导，并且利用可调谐微环谐振腔213作为光信号的调制单元，该器件在集成度方面优势明显。另外，可调谐微环谐振腔213具有低驱动电压的特点，可以基于CMOS工艺进行其驱动电路的设计，而且整个器件的加工与标准CMOS工艺完全兼容，从而能够实现光电的混合集成。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图和具体实施方式对本发明进行更详细的说明，其中：
图1依照本发明实施例提供的光学向量-矩阵乘法器的三维视图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种光学向量-矩阵乘法器，包括：
一衬底40，该衬底40为硅衬底；
一埋层30，该埋层30制作在衬底40上，该埋层30的材料是二氧化硅，作为光波导的包层；
一顶层20，该顶层20制作在埋层30上，该顶层20的材料为硅，该顶层20的上面刻蚀有梳状结构21，该梳状结构21包括背部211和齿部212，该梳状结构21为一分束器，其作用是将输入的光学信号分配到齿部212的每个齿对应的级联多波长调制器22中。
其中该梳状结构21的背部211的中间形成光信号输入端10，该光信号输入端10输入的光信号是具有同步周期的多波长信号，其中的每个波长信号表示数字量或表示离散的模拟量；该梳状结构21的齿部212的尾部形成光信号的输出端11。
其中该梳状结构21齿部212的侧向刻蚀有多个可调谐微环谐振腔213，齿部212的每个齿与邻近的多个可调谐微环谐振腔213相耦合形成级联多波长调制器22，其作用是完成电学向量与输入光学向量的乘加运算，具体是：级联多波长调制器22中的每个可调谐微环谐振腔213的谐振波长由一路电信号来控制；利用可调谐微环谐振腔213的波长选择特性完成对输入的多波长光信号中某一波长的独立调制；在某个计算周期内，光学向量被二次调制后的多个波长信号的光强自然叠加，由光信号的输出端11输出。
参照图1所示的实施例，本发明的工作过程为：首先，运算控制器从输入端口10加载包含λ1，λ2，λ3，λ4的WDM光信号作为输入的光学向量，其中待运算向量中的每个元素对应其中一个波长信号；然后，光学向量经过梳状结构21(即一分四的分束器)进行分束，这样输入的光学向量被平均分配到四个级联多波长调制器22中，相当于数学中的乘法分配率的物理实现；接着，由四路电信号同步控制的级联多波长调制器22对输入的光学向量中的每个波长信号进行独立调制，从而实现实现一个电学向量和输入光学向量的乘加运算，即两个向量的内积运算；图一的方案中并行的排列了四个级联多波长调制器，从而可以并行地实现4×4矩阵中四个向量与输入向量的乘加运算，即光学向量-矩阵乘法；最后，每个输出端口11的总光强对应结果向量中的一个元素，由四个光学输出端11同步输出，再由光电探测元件接收并转换为电信号。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于单波导耦合微环谐振腔的光学向量-矩阵乘法器，包括：
一衬底；
一埋层，该埋层制作在衬底上；
一顶层，该顶层制作在埋层上，该顶层的上面刻蚀有梳状结构，该梳状结构包括背部和齿部，该齿部的侧向刻蚀有可调谐微环谐振腔，齿部的每个齿与邻近的多个可调谐微环谐振腔相耦合形成级联多波长调制器；其中该梳状结构的背部的中间形成光信号输入端；该梳状结构的齿部的尾部形成光信号的输出端。
2.根据权利要求1所述的光学向量-矩阵乘法器，其中所述梳状结构为一分束器，其作用是将输入的光学信号分配到齿部的每个齿对应的级联多波长调制器中。
3.根据权利要求1所述的光学向量-矩阵乘法器，其中所述光信号输入端输入的光信号是具有同步周期的多波长信号，其中的每个波长信号表示数字量或表示离散的模拟量。
4.根据权利要求1所述的光学向量-矩阵乘法器，其中所述级联多波长调制器的作用是完成电学向量与输入光学向量的乘加运算，具体是：
级联多波长调制器中的每个可调谐微环谐振腔的谐振波长由一路电信号来控制；
利用可调谐微环谐振腔的波长选择特性完成对输入的多波长光信号中某一波长的独立调制；
在某个计算周期内，光学向量被二次调制后的多个波长信号的光强自然叠加，由光信号的输出端输出。
5.根据权利要求1所述的光学向量-矩阵乘法器，其中所述衬底为硅衬底。
6.根据权利要求1所述的光学向量-矩阵乘法器，其中所述埋层的材料是二氧化硅。
7.根据权利要求1所述的光学向量-矩阵乘法器，其中所述顶层的材料为硅。
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