CN107832640A - 基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器和使用方法 - Google Patents

基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器和使用方法 Download PDF

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Abstract

一种基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器和使用方法，该矩阵卷积器包括多波长光源，沿该多波长光源的激光输出方向依次是波长相关可调衰减器、输入耦合装置、输入光波导、具有N2条光支路的芯片、输出光波导、输出耦合装置和光电探测器，所述的芯片的N2条光支路的每条光支路具有第一微环滤波器、第二微环滤波器。本发明利用光波分复用技术和光集成技术，实现并行高速矩阵卷积计算，计算时间为常数，不随矩阵规模增大而增大，且每一路信号(即每一个波长)利用微环滤波器同时实现波分复用和损耗调节的功能，只需要很少的器件。

Description

基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器和使 用方法
技术领域
本发明涉及矩阵卷积器，特别是一种基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器和使用方法。
背景技术
近些年来，光计算由于具有高频率的光载波和实现高速宽带信号处理的潜力，在高速、宽带信号处理等领域受到广泛关注。不但如此，光信号相比于电信号具有更多的复用维度。例如已经在光通信系统中验证的波分复用、偏振复用和模分复用等技术，通过利用光信号在波长、偏振和模式上的特性，实现大容量数据传输。此类技术同样有望用于光计算中，获得超出传统电学器件的性能。另一方面，在数学计算中，特别是涉及人工神经网络的计算中，矩阵与矩阵的卷积是最基本也是最常用的运算之一。假设两个矩阵A和B大小都为N×N，其中N为正整数，对应元素分别为aij和bij，i,j＝1,2,…N。则矩阵卷积运算定义为两个矩阵对应位置元素相乘并求和，即采用计算机计算这样一个矩阵卷积需要逐项计算对应元素的乘积，所以花费的计算时间正比于矩阵元素的个数，即N2。矩阵卷积的运算时间随着矩阵元素的数量线性增加，因此有必要探索采用其他方法实现高速矩阵卷积的方案。
目前计算两个矩阵卷积的方法主要有以下几种：
方法1是传统的计算机计算。这种方法通过使用计算机的中央处理器和存储器进行数据的运算和存储。这种方法是目前最广泛使用的，具有灵活性高、精度高等优点。但如上所述，运算时间随着矩阵元素的增加而增加。
方法2是采用光学分路器和合路器的方法。这种方法将单波长光信号通过一个分路器分成若干路，对每一路进行加权，最后再利用合路器将各路信号汇总成一路得到计算结果。这种方法利用了光信号处理的高速处理能力，但由于光信号的互易性，单波长的若干路光信号合路时，会产生非常大的损耗，且损耗随着合路数的增加呈近似指数增加，实用性较差。
方法3是采用传统的光波分复用的方法。这种方法利用光波分复用技术实现多波长的并行信号处理，但是波分复用器件和光信号处理器件，如可调衰减器等，相互独立，导致单路(即单一波长)上需要串行放置很多功能器件，增加了成本和系统占用的体积。
总之，以上的几种方法实现的矩阵卷积运算或者运算时间长，或者损耗大，或者器件多、成本高。因此，需要一种综合改进的方法能够在兼顾计算速度、损耗和器件数量的同时，实现两个相同大小的归一化非负实数矩阵卷积运算。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的不足，提供一种基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器和使用方法。利用光波分复用技术和光集成技术，实现并行高速矩阵卷积计算，计算时间为常数，不随矩阵规模增大而增大，且每一路信号(即每一个波长)利用微环滤波器同时实现波分复用和损耗调节的功能，只需要很少的器件。
为了解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：
一种基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器，参与计算的两个矩阵A和B大小都为N×N，其中N为正整数，对应元素分别为aij和bij，i,j＝1,2,…N，元素都为归一化非负实数，即aij和bij取值范围在0到1之间，其特点在于该矩阵卷积器包括多波长光源，沿该多波长光源的激光输出方向依次是波长相关可调衰减器、输入耦合装置、输入光波导、具有N2条光支路的芯片、输出光波导、输出耦合装置和光电探测器，所述的芯片的N2条光支路的每条光支路具有第一微环滤波器、第二微环滤波器，所述的多波长光源能同时输出N2路功率相近、波长不同的激光，每一路波长记为λij，其中N为2以上的正整数，每一条光支路的第一个微环滤波器共用一条输入光波导，从总的输入信号中选出对应波长，第二个滤波器共用一条输出光波导，将各路信号汇总成一路。
所述的多波长光源由N2个单波长光源通过波分复用器合路产生，或直接通过光频梳产生。
所述的光源或可调衰减器输出与光波导的耦合方式是光纤或空间光通过波导端面耦合，或是光纤或空间光通过波导光栅耦合。
所述的微环滤波器是一个由波导构成的环形谐振器，其一侧有一条波导靠近微环，作为信号输入波导，波导与微环间具有一定的间隙，其另一侧有另一条波导靠近微环，作为信号的输出波导，波导与微环间也具有一定间隙。
所述的每一条光支路的两个微环滤波器具有不同的自由谱宽(FSR)，这样可以抑制不同波长之间的串扰影响。
所述的光波导与光电探测器的耦合方式可以是波导端面与光纤或空间光耦合，也可以是波导光栅与光纤或空间光耦合。
所述的激光光源、可调衰减器、输入耦合装置、光波导、微环滤波器、输出耦合装置和光电探测器的工作波长都在光通信波段1550nm附近。
所述的N2路不同的波长是等间隔的，间隔范围在10GHz到1THz之间，且不同波长上的功率基本相等，最大功率与最小功率相差小于3dB。
上述基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器的使用方法，包括以下步骤：
1)选择一个多波长光源，该多波长光源能够同时输出N2路功率相近、波长不同的激光，每一路的光波长记为λij；
2)所述的多波长光源输出的激光依次通过可调衰减器和输入耦合装置进入输入光波导；在集成芯片中，共有N2条光支路，每一条光支路(ij)对应的光波长λij的光信号依次经过第一微环滤波器、第二微环滤波器，所述的输出光波导上的光信号通过所述的输出耦合装置耦合进所述的光电探测器；
3)对每一条光支路进行校准：调节每一条光支路上的两个微环滤波器，使它们的透射率在该路对应波长上达到最大值；轮流将N2个单一波长λij的信号输入集成芯片，通过可调衰减器调节该波长的功率，使得所述的光电探测器上测到的N2条光支路输出的光功率都相等，该功率记为P；
4)调节每一条光支路的第一微环滤波器、第二微环滤波器的透射率，使得对波长λij的信号所在的光支路的第一微环滤波器的透射率为aij，第二微环滤波器的透射率为bij，则该光支路的输出光功率为Paijbij；
5)当所述的多波长光源所有波长信号同时输入时，所述的光电探测器测得的总光功率为消去功率P后，即为所需的矩阵卷积值。
本发明利用了光波分复用技术和光集成技术，以并行的方式进行矩阵卷积运算，运算时间即为光信号从输入端经过微环滤波器最后合路的时间，该时间为常数，与矩阵元素个数N2无关。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明通过光波分复用技术和光集成技术实现并行运算，获得了常数级别的矩阵卷积运算时间。相比于背景技术中的方法1(计算机计算的方法)，本发明的计算时间不随矩阵规模增大而增加，可实现高速运算。相比于背景技术中的方法2(光学分路器和合路器的方法)，本发明采用波分复用技术，避免了合路器在单波长工作下引入的额外损耗，降低了对输入光功率的要求。相比于背景技术中的方法3(传统的光波分复用的方法)，本发明在光信号进入波导后，单路信号(即单一波长)只经过两个微环滤波器，就实现了波分复用的分路、两个可调衰减器和波分复用的合路的功能，大大减少了器件需求，降低了成本和空间开销。
附图说明
图1是本发明基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器的结构图。
1-多波长光源，2-波长相关可调衰减器，3-输入耦合装置，4-输入波导，5-第一微环滤波器，6-第二微环滤波器，7-输出波导，8-输出耦合装置，9-光电探测器
图2是本发明中具有不同自由谱宽的两个微环滤波器的透射谱示意图，图2(a)是第一微环滤波器的透射谱，图2(b)是第二微环滤波器的透射谱，图2(c)是两个微环滤波器的总的透射谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器的结构图，由图可见，本发明基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器，参与计算的两个矩阵A和B大小都为N×N，其中N为正整数，对应元素分别为aij和bij，i,j＝1,2,…N，元素都为归一化非负实数，即aij和bij取值范围在0到1之间，该矩阵卷积器包括多波长光源1，沿该多波长光源1的激光输出方向依次是波长相关可调衰减器2、输入耦合装置3、输入光波导4、具有N2条光支路的芯片、输出光波导7、输出耦合装置8和光电探测器9，所述的芯片的N2条光支路的每条光支路具有第一微环滤波器5、第二微环滤波器6，所述的多波长光源1能同时输出N2路功率相近、波长不同的激光，每一路波长记为λij，其中N为2以上的正整数，每一条光支路的第一个微环滤波器5共用一条输入光波导4，从总的输入信号中选出对应波长，第二个滤波器6共用一条输出光波导7，将各路信号汇总成一路。
所述的多波长光源1由N2个单波长光源通过波分复用器合路产生，或直接通过光频梳产生。
所述的光源或可调衰减器输出与光波导的耦合方式是光纤或空间光通过波导端面耦合，或是光纤或空间光通过波导光栅耦合。
所述的微环滤波器是一个由波导构成的环形谐振器，其一侧有一条波导靠近微环，作为信号输入波导，波导与微环间具有一定的间隙，其另一侧有另一条波导靠近微环，作为信号的输出波导，波导与微环间也具有一定间隙。
所述的每一条光支路的两个微环滤波器具有不同的自由谱宽(FSR)，这样可以抑制不同波长之间的串扰影响。
所述的光波导与光电探测器的耦合方式可以是波导端面与光纤或空间光耦合，也可以是波导光栅与光纤或空间光耦合。
所述的激光光源、可调衰减器、输入耦合装置、光波导、微环滤波器、输出耦合装置和光电探测器的工作波长都在光通信波段1550nm附近。
所述的N2路不同的波长是等间隔的，间隔范围在10GHz到1THz之间，且不同波长上的功率基本相等，最大功率与最小功率相差小于3dB。
上述基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器的使用方法，包括以下步骤：
1)选择一个多波长光源1，该多波长光源1能够同时输出N2路功率相近、波长不同的激光，每一路的光波长记为λij；
2)所述的多波长光源1输出的激光依次通过可调衰减器2和输入耦合装置3进入输入光波导4；在集成芯片中，共有N2条光支路，每一条光支路ij对应的光波长λij的光信号依次经过第一微环滤波器5、第二微环滤波器6，所述的输出光波导7上的光信号通过所述的输出耦合装置8耦合进所述的光电探测器9；
3)对每一条光支路ij进行校准：调节每一条光支路ij上的两个微环滤波器，使它们的透射率在该路对应波长上达到最大值；轮流将N2个单一波长λij的信号输入集成芯片，通过可调衰减器调节该波长的功率，使得所述的光电探测器上测到的N2条光支路输出的光功率都相等，该功率记为P；
4)调节每一条光支路ij的第一微环滤波器5、第二微环滤波器6的透射率，使得对波长λij的信号所在的光支路ij的第一微环滤波器的透射率为aij，第二微环滤波器的透射率为bij，则该光支路ij的输出光功率为Paijbij；
5)当所述的多波长光源1所有波长信号同时输入时，所述的光电探测器9测得的总光功率为消去功率P后，即为所需的矩阵卷积值。
下面是实施例参数的说明：
所述的多波长光源1输出形式是空间光、光纤均可。在本发明的优选实施例中，多波长光源输出形式是光纤，波长数量为25，即计算5x5矩阵的卷积，波长等间隔，间隔为50GHz，在1550nm附近。
所述的可调衰减器2的输入、输出形式是空间光、光纤均可。在本发明的优选实施例中，可调衰减器的输入、输出形式是光纤。
所述的输入耦合装置3和输出耦合装置8可以是光纤或空间光通过波导端面耦合，也可以是光纤或空间光通过波导光栅耦合。在本发明的优选实施例中，两者都采用光纤与波导光栅的方式耦合。
所述的集成光波导材料可以是硅、氮化硅、铌酸锂等材料。在本发明的优选实施例中，采用绝缘体上硅(SOI)集成平台，硅波导尺寸为宽400nm，高220nm。
所述的第一微环滤波器5和第二微环滤波器6具有不同的自由谱宽，这样可以抑制不同波长之间的串扰影响。在本发明的优选实施例中，第一微环滤波器的自由谱宽为12nm，第二微环滤波器的自由谱宽为13nm。
所述的对第一微环滤波器5和第二微环滤波器6的透射率的调节，可以通过金属电极加热、载流子效应、电光效应等方式实现对微环折射率或物理长度的改变，实现对微环滤波器最高透射波长的平移，从而改变在特定波长上，微环滤波器的透射率。在本发明的优选实施例中，两者都采用金属电极加热的方式调节。
图2是两个具有不同自由谱宽的微环滤波器透射谱示意图，图2(a)和图2(b)分别是第一微环滤波器和第二微环滤波器的透射谱示意图，图2(c)是两者的总的透射谱示意图。由于总的透射谱等于两个单独的透射谱相乘，所以可以在很宽的波长范围内确保只有一个高透射率的通带，减小不同波长间的串扰。
实验表明，本发明利用光波分复用技术和光集成技术，实现并行高速矩阵卷积计算，计算时间为常数，不随矩阵规模增大而增大，且每一路信号(即每一个波长)利用微环滤波器同时实现波分复用和损耗调节的功能，只需要很少的器件。

Claims (9)

1.一种基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器，参与计算的两个矩阵A和B大小都为N×N，其中N为正整数，对应元素分别为aij和bij，i,j＝1,2,…N，元素都为归一化非负实数，即aij和bij取值范围在0到1之间，其特征在于该矩阵卷积器包括多波长光源(1)，沿该多波长光源(1)的激光输出方向依次是波长相关可调衰减器(2)、输入耦合装置(3)、输入光波导(4)、具有N2条光支路的芯片、输出光波导(7)、输出耦合装置(8)和光电探测器(9)，所述的芯片的N2条光支路的每条光支路具有第一微环滤波器(5)、第二微环滤波器(6)，所述的多波长光源(1)能同时输出N2路功率相近、波长不同的激光，每一路波长记为λij，其中N为2以上的正整数，每一条光支路的第一个微环滤波器(5)共用一条输入光波导(4)，从总的输入信号中选出对应波长，第二个滤波器(6)共用一条输出光波导(7)，将各路信号汇总成一路。
2.根据权利要求1所述的基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器，其特征在于所述的多波长光源(1)由N2个单波长光源通过波分复用器合路产生，或直接通过光频梳产生。
3.根据权利要求1所述的基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器，其特征在于所述的光源或可调衰减器输出与光波导的耦合方式是光纤或空间光通过波导端面耦合，或是光纤或空间光通过波导光栅耦合。
4.根据权利要求1所述的基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器，其特征在于所述的微环滤波器是一个由波导构成的环形谐振器，其一侧有一条波导靠近微环，作为信号输入波导，波导与微环间具有一定的间隙，其另一侧有另一条波导靠近微环，作为信号的输出波导，波导与微环间也具有一定间隙。
5.根据权利要求1所述的基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器，其特征在于所述的每一条光支路的两个微环滤波器具有不同的自由谱宽(FSR)，这样可以抑制不同波长之间的串扰影响。
6.根据权利要求1所述的基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器，其特征在于所述的光波导与光电探测器的耦合方式可以是波导端面与光纤或空间光耦合，也可以是波导光栅与光纤或空间光耦合。
7.根据权利要求1所述的基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器，其特征在于所述的激光光源、可调衰减器、输入耦合装置、光波导、微环滤波器、输出耦合装置和光电探测器的工作波长都在光通信波段1550nm附近。
8.根据权利要求1所述的基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器，其特征在于所述的N2路不同的波长是等间隔的，间隔范围在10GHz到1THz之间，且不同波长上的功率基本相等，最大功率与最小功率相差小于3dB。
9.权利要求1所述的基于集成光波分复用技术的归一化非负实数矩阵卷积器的使用方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1)选择一个多波长光源(1)，该多波长光源(1)能够同时输出N2路功率相近、波长不同的激光，每一路的光波长记为λij；
2)所述的多波长光源(1)输出的激光依次通过可调衰减器(2)和输入耦合装置(3)进入输入光波导(4)；在集成芯片中，共有N2条光支路，每一条光支路(ij)对应的光波长λij的光信号依次经过第一微环滤波器(5)、第二微环滤波器(6)，所述的输出光波导(7)上的光信号通过所述的输出耦合装置(8)耦合进所述的光电探测器(9)；
3)对每一条光支路(ij)进行校准：调节每一条光支路(ij)上的两个微环滤波器，使它们的透射率在该路对应波长上达到最大值；轮流将N2个单一波长λij的信号输入集成芯片，通过可调衰减器调节该波长的功率，使得所述的光电探测器上测到的N2条光支路输出的光功率都相等，该功率记为P；
4)调节每一条光支路(ij)的第一微环滤波器(5)、第二微环滤波器(6)的透射率，使得对波长λij的信号所在的光支路(ij)的第一微环滤波器的透射率为aij，第二微环滤波器的透射率为bij，则该光支路(ij)的输出光功率为Paijbij；
5)当所述的多波长光源(1)所有波长信号同时输入时，所述的光电探测器(9)测得的总光功率为消去功率P后，即为所需的矩阵卷积值。
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