CN102866876A - 一种单片集成的光学矩阵-向量乘法器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单片集成的光学矩阵-向量乘法器，其特征在于：它包括一硅基，硅基上集成有一多波长光源模块、一波长可选择调制模块、一功率分束模块、一微环调制器矩阵模块和一探测器阵列模块；多波长光源模块输出具有n+1个不同波长的多波长光信号到波长可选择调制模块，波长可选择调制模块对多波长光信号中的每一波长光信号进行选择性调制后发送到功率分束模块，功率分束模块对多波长光信号进行1：m等功率分束，并将分束后的多波长光信号发送到微环调制器矩阵模块，微环调制器矩阵模块对m路多波长光信号进行处理，并将处理结果发送到探测器阵列模块，探测器阵列模块对输出的光信号进行探测。本发明可以广泛应用于海量数据处理过程中。

Description

一种单片集成的光学矩阵-向量乘法器

技术领域

本发明涉及一种光学海量数据运算系统，特别是关于一种单片集成的光学矩阵-向量乘法器。

背景技术

随着信息技术的发展，在密码破译、视频监控、DNA信息分析与新药研制、光电对抗和气候监控等涉及国计民生的领域随时需要对海量数据进行处理。由于数据容量、实时性等要求，海量数据处理通常采用分布式处理方式和并行处理方式，分布式处理方式最终受限于硬件的处理能力，并行处理方式基于电学数字信号处理器实现，然而，集成电路线宽的进一步减小受量子隧穿效应和功耗的限制，使得电子学海量数据处理性能难以大幅度提高。因此，电子学海量数据并行处理方式将很难满足爆炸式增长的海量数据处理要求。

光子学数据处理方式给海量数据处理性能的大幅度提高提供了可能性，数字信号处理的大多数方法最终都牵涉矩阵运算，由于光信号高带宽、可并行处理的特性，恰好满足矩阵运算的要求，传统光学矩阵运算如Stanford乘法器（J.W.Goodman,A.Dias,and L.Woody,Fully parallel,high-speed incoherent optical method forperforming discrete Fourier transforms.Optics letters,1978.2(1):p.1-3.）这种乘法器虽然可以提高运算速度，但是需要通过透镜等体光学元件实现，结构复杂、尺寸大，而且价格昂贵。

近几年来，硅基微纳光子学的快速发展为实现单片集成光学矩阵-向量乘法器提供了可能，现有技术硅基上多波长光源与光信息的加载一般通过调制多个分立的半导体激光器实现，然后再将各个波长的光信号通过WDM（波分复用器）合到同一个波导中，上述过程需要较多的器件来完成，结构复杂、功耗较大、散热困难，因此需要发展一种紧凑的多波长光源并进行波长可选择调制得到结构更为简单的单片集成矩阵-向量乘法器将对海量数据处理具有重大的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、功耗与造价低且可扩展性好的单片集成的光学矩阵-向量乘法器。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种单片集成的光学矩阵-向量乘法器，其特征在于：它包括一硅基，所述硅基上集成一多波长光源模块、一波长可选择调制模块、一功率分束模块、一微环调制器矩阵模块和一探测器阵列模块；所述多波长光源模块输出具有n+1个不同波长的多波长光信号到所述波长可选择调制模块，所述波长可选择调制模块对多波长光信号中的每一波长光信号进行选择性调制后发送到所述功率分束模块，所述功率分束模块对多波长光信号进行1：m等功率分束，并将分束后的多波长光信号发送到所述微环调制器矩阵模块，所述微环调制器矩阵模块对m路多波长光信号进行处理，并将处理结果发送到所述探测器阵列模块，所述探测器阵列模块对输出的每一路光信号进行探测。

所述多波长光源模块包括一半导体激光器、一高Q值微环和一与所述高Q值微环耦合的直波导；所述半导体激光器发射某一波长的泵浦光经所述直波导耦合进入所述高Q值微环，泵浦光在所述高Q值微环中通过级联四波混频效应产生n+1个频率边带，得到具有n+1个不同波长的多波长光信号后，重新耦合进入所述直波导并将多波长光信号发送到所述波长可选择调制模块。

所述波长可选择调制模块包括n+1个依次并排的硅微环、n+1个设置在每一所述硅微环上方的微加热器和一与n+1个所述硅微环耦合的直波导；n+1个所述硅微环的谐振频率与多波长信号的各频率一一对应，所述多波长光信号从所述直波导耦合依次进入每一所述硅微环，根据所需要的输入向量b对每一所述硅微环分别进行控制：当所述硅微环两端不加电压时，所述硅微环的谐振频率与相应频率的光信号相匹配，经所述硅微环后输出的光信号较弱，当所述硅微环两端外加电压时，所述硅微环的谐振频率将产生红移与相应频率的光信号形成失配，经所述硅微环后输出的相应频率的光信号较强，依次对每一所述硅微环进行控制实现对每一波长光信号的选择性调制。

所述功率分束模块包括一分束器，所述分束器对接收的多波长光信号分束成m路等功率信号。

所述微环调制器矩阵模块包括一个m*n硅微环阵列和m个分别与每一行所述硅微环耦合的直波导，每一所述硅微环上方设置一用于调节其直径大小的微加热器；每一列所述硅微环具有相同的直径，每一行所述硅微环与等功率分束后的多波长光信号中的n个波长的频率一一对应，等功率的m路多波长光信号同时发送到第一列的各个所述硅微环中，并依次通过每一行的各所述硅微环，根据所需要的输入矩阵a，对每一所述硅微环分别进行控制。

所述探测器阵列模块包括一列m个相同的Ge-Si探测器，每一所述Ge-Si探测器分别接收所述微环调制器矩阵模块输出的多波长光信号，并将其分别进行光电转换后输出。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明包括一硅基，硅基上集成有多波长光源模块、波长可选择调制模块、功率分束模块、微环调制器矩阵模块和探测器阵列模块，多波长光源模块通过一个半导体激光器发出某一波长的光信号并通过高Q值微环的级联四波混频效应产生多波长光信号，波长可选择调制模块采用不同半径的硅微环对多波长光信号进行波长可选择调制后直接将多波长光信号发送到后续模块分别进行处理，现有技术是采用多个分立的半导体激光器输出多波长光信号，并采用多个Mach-Zender干涉仪对各个半导体激光器输出光分别进行调制，且还得将不同波长光信号合成一路后才能进行后续处理，因此与现有技术相比本发明结构简单，不仅可以极大地减少半导体激光器的数量和所需要的器件数，而且极大地降低硅基尺寸，也降低整个光学矩阵-向量乘法器的功耗与造价。2、本发明可以根据实际处理数据的需要，通过控制半导体激光器的泵浦功率和波长通过高Q值微环得到具有n+1个波长的多波长光信号，且对波长可选择调制模块、功率分束模块、微环调制器矩阵模块和探测器阵列模块进行相应的扩展，因此本发明具有较好的可扩展性。本发明可以广泛应用于海量数据处理过程中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明的硅微环和与其耦合的直波导结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

矩阵-向量乘法原理是实现一个输入向量b和一个输入矩阵a之间的乘法运算，并得出输出向量c，具体计算公式为：

$\left(\begin{array}{ccccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}& ...& a_{1n}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}& ...& a_{2n}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}& ...& a_{3n}\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .\\ a_{m1}& a_{m2}& a_{m3}& ...& a_{\mathrm{mn}}\end{array}\right)\×\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ b_3\\ .\\ .\\ .\\ b_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{c}_1\\ c_2\\ c_3\\ .\\ .\\ .\\ c_n\end{array}\right]$

如图1所示，光学矩阵-向量乘法器实现以上的矩阵-向量乘法功能完成光学数据运算，本发明的光学矩阵-向量乘法器集成在一个硅基上，硅基上包括一多波长光源模块1、一波长可选择调制模块2、一功率分束模块3、一微环调制器矩阵模块4和一探测器阵列模块5；多波长光源模块1输出具有n+1(n为大于1的整数)个不同波长的多波长光信号到波长可选择调制模块2；波长可选择调制模块2对多波长光信号中的每一波长光信号进行选择性调制后发送到功率分束模块3，功率分束模块3对多波长光信号进行1：m（m为大于1的整数）等功率分束，并将分束后的多波长光信号发送到微环调制器矩阵模块4，微环调制器矩阵模块4对m路多波长光信号进行处理，并将处理结果发送到探测器阵列模块5，探测器阵列模块5对输出的每一路光信号进行探测。

如图1所示，上述实施例中，多波长光源模块1包括一半导体激光器11、一高Q值微环12和一与高Q值微环12耦合的直波导13；半导体激光器11发射某一波长的泵浦光经直波导13耦合进入高Q值微环12，局域于高Q值微环12中的泵浦光使得高Q值微环12中的量子噪声源得到参量增益，由于高Q值微环12的高Q值使得噪声源与材料有足够长的作用时间，从而得到足够的参量增益，泵浦光在高Q值微环12中通过级联四波混频效应产生n+1个频率边带，得到具有n+1个不同波长的多波长光信号后耦合进入直波导13将多波长光信号发送到波长可选择调制模块2。其中，半导体激光器11工作时外接信号发生器和电源，信号发生器用于控制半导体激光器11的输出功率，且可以通过帕尔贴元件的热效应调节半导体激光器11的输出波长，n的具体数目可以根据实际需要通过调节半导体激光器11的功率和波长得到。其中，半导体激光器11的参数可以选择为：最大输出功率为100mW，波长为1560nm，高Q值微环12可以采用具有10⁵量级以上的Q值（品质因子），直径可以从几微米到几毫米，且横截面可以为矩形、梯形或圆形等形状；高Q值微环12可以由氮化硅、硅或二氧化硅等材料制作，本实施例的高Q值微环12选择的参数：Q值为2*10⁶，直径为230μm，材料采用氮化硅。

如图1、图2所示，上述各实施例中，波长可选择调制模块2包括n+1个依次并排的硅微环21、n+1个设置在每一硅微环上方的微加热器（图中未示出）和与n+1个硅微环21耦合工作的直波导13（与多波长光源模块1采用同一直波导），每一硅微环21通过微加热器调节其直径大小进而调节其谐振频率，使n+1个硅微环21的谐振频率与多波长光信号中不同波长光信号λ₁、λ₂.....λ_n+1的频率一一对应，根据所需要的输入向量b对每一硅微环21分别进行控制，具体过程为：多波长光信号从直波导13耦合进入第一个硅微环21，第一个硅微环21与波长为λ₁的光信号频率相对应，当硅微环21两端不加电压时，硅微环21的谐振频率与波长为λ₁的光信号相匹配，经硅微环21后输出的波长为λ₁的光信号较弱，标记为“0”；硅微环21的横截面为一个pn结，当两端外加电压时，硅微环芯区载流子浓度的增加，其有效折射率也随之增加，最终使得硅微环21的谐振频率产生红移与相应频率的光信号形成失配，经硅微环21后输出的波长为λ₁的光信号较强，标记为“1”，由于硅微环21的谐振特性使各路光信号间不会有干扰，按照上述过程依次对每一硅微环21进行控制实现对每一波长光信号的选择性调制，最终得到所需要的输入向量b，输入向量b的每一元素在0和1两个数之间变化。另外，由于在多波长光信号中还存在功率较强的泵浦光，为了实现各光信号间的功率均衡，对于与泵浦光频率对应的硅微环21，控制其谐振频率与泵浦光频率恒为匹配状态，从而滤除功率较强的泵浦光，因其恒为0则泵浦光对应的波长不再是一个变量，最终波长可选择调制模块2输出的多波长光信号可以看成有n个变量,即得到的输入向量b为一个n维的向量。

如图1所示，上述各实施例中，功率分束模块3包括一分束器，分束器对接收的多波长光信号成束成m路等功率信号，分束器可以采用MMI（多模干涉）方式、Y型波导或倏逝波耦合方式实现1：m等功率分束，其中MMI方式基于多模波导中的自映像效应可以将直波导中的多波长光信号均匀分成m路。

如图1所示，上述各实施例中，微环调制器矩阵模块4包括一个m*n硅微环阵列R11、R12…Rmn，m个与每一行硅微环耦合工作的直波导41，每一硅微环上方设置一用于调节其直径大小的微加热器，n列中每一列硅微环都具有相同的直径，m行中每一行的硅微环与等功率分束后的多波长光信号中的n个波长λ₁′、λ₂′.....λ_n′的频率一一对应，等功率的m路多波长光信号同时发送到第一列的各个硅微环中，并依次发送到每一行各个硅微环中，根据实际需要对每一个硅微环进行控制，得到输入矩阵a，矩阵a为m*n矩阵，矩阵a的每一元素在0和1两个数之间变化，硅微环阵列中每一硅微环的具体控制过程与波长可选择调制模块中的硅微环类似，具体过程不再赘述。

如图1所示，上述各实施例中，探测器阵列模块5包括一列m个相同的Ge-Si探测器PD1、PD2…PDm，每一个Ge-Si探测器分别接收微环调制器矩阵模块4的每一行硅微环输出的多波长光信号，并将其分别进行光电转换后输出电信号，得到结果向量c，每一Ge-Si探测器响应速度与波长可选择调制模块2和微环调制器矩阵模块4中的硅微环调制速度相匹配，每一Ge-Si探测器在1560nm处，大约1.6THz的带宽有平坦的频率响应特性。

上述各实施例中，硅微环21和硅微环阵列中的每一个硅微环的Q值可以为15000。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构和连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种单片集成的光学矩阵-向量乘法器，其特征在于：它包括一硅基，所述硅基上集成一多波长光源模块、一波长可选择调制模块、一功率分束模块、一微环调制器矩阵模块和一探测器阵列模块；所述多波长光源模块输出具有n+1个不同波长的多波长光信号到所述波长可选择调制模块，所述波长可选择调制模块对多波长光信号中的每一波长光信号进行选择性调制后发送到所述功率分束模块，所述功率分束模块对多波长光信号进行1：m等功率分束，并将分束后的多波长光信号发送到所述微环调制器矩阵模块，所述微环调制器矩阵模块对m路多波长光信号进行处理，并将处理结果发送到所述探测器阵列模块，所述探测器阵列模块对输出的每一路光信号进行探测。

2.如权利要求1所述的一种单片集成的光学矩阵-向量乘法器，其特征在于：所述多波长光源模块包括一半导体激光器、一高Q值微环和一与所述高Q值微环耦合的直波导；所述半导体激光器发射某一波长的泵浦光经所述直波导耦合进入所述高Q值微环，泵浦光在所述高Q值微环中通过级联四波混频效应产生n+1个频率边带，得到具有n+1个不同波长的多波长光信号后，重新耦合进入所述直波导并将多波长光信号发送到所述波长可选择调制模块。

3.如权利要求1所述的一种单片集成的光学矩阵-向量乘法器，其特征在于：所述波长可选择调制模块包括n+1个依次并排的硅微环、n+1个设置在每一所述硅微环上方的微加热器和一与n+1个所述硅微环耦合的直波导；n+1个所述硅微环的谐振频率与多波长信号的各频率一一对应，所述多波长光信号从所述直波导耦合依次进入每一所述硅微环，根据所需要的输入向量b对每一所述硅微环分别进行控制：当所述硅微环两端不加电压时，所述硅微环的谐振频率与相应频率的光信号相匹配，经所述硅微环后输出的光信号较弱，当所述硅微环两端外加电压时，所述硅微环的谐振频率将产生红移与相应频率的光信号形成失配，经所述硅微环后输出的相应频率的光信号较强，依次对每一所述硅微环进行控制实现对每一波长光信号的选择性调制。

4.如权利要求2所述的一种单片集成的光学矩阵-向量乘法器，其特征在于：所述波长可选择调制模块包括n+1个依次并排的硅微环、n+1个设置在每一所述硅微环上方的微加热器和一与n+1个所述硅微环耦合工作的直波导；n+1个所述硅微环的谐振频率与多波长信号的各频率一一对应，所述多波长光信号从所述直波导耦合依次进入每一所述硅微环，根据所需要的输入向量b对每一所述硅微环分别进行控制：当所述硅微环两端不加电压时，所述硅微环的谐振频率与相应频率的光信号相匹配，经所述硅微环后输出的光信号较弱，当所述硅微环两端外加电压时，所述硅微环的谐振频率将产生红移与相应频率的光信号形成失配，经所述硅微环后输出的相应频率的光信号较强，依次对每一所述硅微环进行控制实现对每一波长光信号的选择性调制。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种单片集成的光学矩阵-向量乘法器，其特征在于：所述功率分束模块包括一分束器，所述分束器对接收的多波长光信号分束成m路等功率信号。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种单片集成的光学矩阵-向量乘法器，其特征在于：所述微环调制器矩阵模块包括一个m*n硅微环阵列和m个分别与每一行所述硅微环耦合的直波导，每一所述硅微环上方设置一用于调节其直径大小的微加热器；每一列所述硅微环具有相同的直径，每一行所述硅微环与等功率分束后的多波长光信号中的n个波长的频率一一对应，等功率的m路多波长光信号同时发送到第一列的各个所述硅微环中，并依次通过每一行的各所述硅微环，根据所需要的输入矩阵a，对每一所述硅微环分别进行控制。

7.如权利要求5所述的一种单片集成的光学矩阵-向量乘法器，其特征在于：所述微环调制器矩阵模块包括一个m*n硅微环阵列和m个分别与每一行所述硅微环耦合的直波导，每一所述硅微环上方设置一用于调节其直径大小的微加热器；每一列所述硅微环具有相同的直径，每一行所述硅微环与等功率分束后的多波长光信号中的n个波长的频率一一对应，等功率的m路多波长光信号同时发送到第一列的各个所述硅微环中，并依次通过每一行的各所述硅微环，根据所需要的输入矩阵a，对每一所述硅微环分别进行控制。

8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种单片集成的光学矩阵-向量乘法器，其特征在于：所述探测器阵列模块包括一列m个相同的Ge-Si探测器，每一所述Ge-Si探测器分别接收所述微环调制器矩阵模块输出的多波长光信号，并将其分别进行光电转换后输出。

9.如权利要求5所述的一种单片集成的光学矩阵-向量乘法器，其特征在于：所述探测器阵列模块包括一列m个相同的Ge-Si探测器，每一所述Ge-Si探测器分别接收所述微环调制器矩阵模块输出的多波长光信号，并将其分别进行光电转换后输出。

10.如权利要求6所述的一种单片集成的光学矩阵-向量乘法器，其特征在于：所述探测器阵列模块包括一列m个相同的Ge-Si探测器，每一所述Ge-Si探测器分别接收所述微环调制器矩阵模块输出的多波长光信号，并将其分别进行光电转换后输出。

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