CN110291433A - 用于光子神经元件的波导结构 - Google Patents

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Abstract

一种光子神经元件(100)，包括光发射器(110‑1至110‑16)、光接收器(120‑1至120‑16)、在板上形成的节点间波导(130‑1至130‑16)，配置成接收从光发射器(110‑1至110‑16)发射的光信号并将接收的光信号发送到节点间波导(130‑1至130‑16)的发射波导(150‑1至150‑16)，用于部分地反射在节点间波导(130‑1至130‑16)上传播的光信号的反射镜(160A至160D)，被配置为接收由反射镜(160A至160D)产生的反射光信号并将反射的光信号发送到光接收器(120‑1至120‑16)的接收波导(170A‑1至170A‑16、170B‑1至170B‑16、170C‑1至170C‑16、170D‑1至170D‑16)，以及配置为对反射的光信号应用权重的滤光器(180A至180D)。在板上形成发射波导(150‑1至150‑16)和接收波导(170A‑1至170A‑16、170B‑1至170B‑16、170C‑1至170C‑16、170D‑1至170D‑16)，使得发射波导(150‑1至150‑16)之一和接收波导(170A‑1至170A‑16、170B‑1至170B‑16、170C‑1至170C‑16、170D‑1至170D‑16)之一穿过一个节点间波导(130‑1至130‑16)，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层。

Description

用于光子神经元件的波导结构
技术领域
本发明一般涉及用于光子神经元件的波导架构，更具体地涉及用于例如神经网络的光子神经元件的波导架构。
背景技术
非传统的神经形态计算架构，例如神经网络和储备池计算，已经在性能方面显示出前景，但是用于互连神经元的传统电子方法已经遇到一些限制。例如，由于需要时间复用，IBM TrueNorth系统的处理速度在kHz范围内。最近，人们对将令人兴奋的光电子器件作为潜在地提高速度限制的办法产生了兴趣。(参见，例如，A.N.Tait等人，“Broadcast andWeight：An Integrated Network For Scalable Photonic Spike Processing(广播和权重：可扩展光子尖峰处理的集成网络)”，J.Light.Tech.(光学技术期刊)32,3427,2014；MANahmias等人，“An integrated analog O/E/O link for multi-channel laser neurons(用于多通道激光神经元的集成模拟O/E/O链路)“Appl.Phys.Lett.(应用物理快报)108,151106(2016)；以及K.Vandoorne等人，”Experimental demonstration of reservoircomputing on a silicon photonics chip(硅光子芯片上储备池计算的实验演示)“，Nature Communication(自然通讯)5,3541,2014)。然而，这种尝试受到非常高的功耗和光学损耗的限制。同时，近来可以制造具有非常低损耗的波导交叉结构。(参见，例如，N.Bamiedakis等人，“Low Loss and Low Crosstalk Multimode Polymer WaveguideCrossings for High-Speed Optical Interconnects(用于高速光互连的低损耗和低串扰多模聚合物波导交叉)”2007 Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO)(2007激光与电光学会议)，CMG1)。
发明内容
根据本发明，光子神经元件包括多个光发射器；多个光接收器；在板上形成的多个节点间波导；在板上形成的多个发射波导，使得至少一个发射波导穿过至少一个节点间波导，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层，每个发射波导光连接到多个光发射器的光发射器，并被配置为接收从光发射器发射的光信号并将接收到的光信号发射到多个节点间波导的节点间波导；在板上形成的多个反射镜，每个反射镜部分地反射在多个节点间波导的节点间波导上传播的光信号以提供反射光信号；在板上形成的多个接收波导，使得至少一个接收波导穿过至少一个节点间波导，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层，每个接收波导光连接到多个光接收器的光接收器并被配置成接收由多个反射镜的反射镜产生的反射光信号，并将反射光信号传输到光接收器；以及在板上形成的多个滤光器，每个滤光器配置成在接收反射光信号的接收波导将反射光信号发送到光接收器之前，对多个反射镜中的反射镜产生的反射光信号施加权重。光子神经元件可以在提高传统电子方法的速度限制的同时支持设计灵活性。
根据本发明的实施例，多个光发射器可以包括发射相同波长的光信号的两个或多个光发射器，并且多个节点间波导可以包括专用于两个或多个光发射器中的每一个的节点间波导。多个滤光器可包括中性密度滤光器。光子神经元件可以支持简单结构的设计，而不需要在节点间波导上进行光信号的波分复用(WDM)。
根据本发明的实施例，光子神经元件还可以包括形成在板上的多个组合器，每个组合器被配置为将输入光信号光添加到在多个接收波导的接收波导上传播的光信号。在每个接收波导上传播的光信号可以通过多个组合器的组合器光添加到在另一个接收波导上传播的光信号上，同时被传输到与接收波导连接的光接收器，在由多个滤光器的滤光器施加权重之后发生添加。所述多个组合器可以包括具有y形波导结构的组合器，所述y形波导结构通过第一入口臂和出口臂连接到所述多个波导的第一接收波导，所述组合器被配置为接收在多个接收波导的第二接收波导上传播的光信号作为输入信号，使得输入信号进入y形波导结构的第二入口臂，并且加入在第一接收波导上传播的光信号，其中第二入口臂与y形波导结构的第一入口臂相交。光子神经元件可以支持接收波导上的光信号的加权加入或扇入，减少了所需的光接收器的数量。
根据本发明的实施例，多个滤光器包括可更换的滤光器，其可被更换以改变所施加的权重。光子神经元件可以支持包括光子神经元件的神经网络的调谐。
根据本发明的实施例，多个滤光器可以包括可变滤光器，其透明度可以改变以改变所施加的权重。光子神经元件可以支持包括光子神经元件的神经网络的调谐。
根据本发明的实施例，光子神经元件还可包括安装在板上的多个半导体芯片，每个半导体芯片包括至少一个光发射器或至少一个光器件接收器。光子神经元件可以进一步支持设计灵活性。
根据本发明的实施例，多个半导体芯片可以包括光发射器芯片和光接收器芯片，每个光发射器芯片包括一个或多个光发射器，以及每个光接收器芯片包括一个或多个光接收器，并且光发射器芯片可以包括第一光发射器芯片和第二光发射器芯片，第一光发射器芯片的一个或多个光发射器发射第一波长的光信号，第二光发射器芯片的一个或多个光发射器发射第一波长的光信号。每个光发射器芯片可以包括相同数量的光发射器，每个光接收器芯片可以包括相同数量的光接收器，每个光发射器芯片中包括的光发射器的数量可以包括在每个光接收器芯片中的光接收器的数量相同，并且经由发送波导连接到每个光发送器芯片的节点间波导的数量可以与每个光发送器芯片中包括的光发送器的数量以及每个光接收器芯片中包括的光接收器的数量相同。光子神经元件可以支持简单结构的设计，而不需要在节点间波导上对光信号进行波长多路复用，或者可能成本高的复杂光谱滤光器。
根据本发明的实施例，每个半导体芯片可以被布置成使得包括在芯片中的至少一个光发射器或包括在芯片中的至少一个光接收器面向板，发送波导可以通过入射镜连接到光发射器，入射镜被设置成将光从垂直于板的方向重定向到平行于板的方向，并且接收波导可以通过出射镜连接到光接收器，所述出射镜被布置成将光从与电路板平行的方向重定向到垂直于电路板的方向。光子神经元件可以通过支持使用在板上形成的波导来进一步支持设计灵活性。
根据本发明的实施例，光子神经元件还包括多个节点内信号线，每个节点内信号线连接到多个光接收器的光接收器和多个光发射器的光发射器，并且被配置为接收表示光接收器接收的光信号的功率的电信号，并将电信号发送给光发射器，从而连接光接收器和光发射器，形成神经元的输入和输出。对于经由节点内信号线连接到光发射器的每个光接收器，多个反射镜包括反射镜，其反射光信号被传输到光接收器并且其反射系数对于由光发射器发射的光信号的波长基本为零。光子神经元件可以作为神经网络或其一部分支持光子神经元件的功能。
根据本发明的实施例，节点间波导、发射波导和接收波导可以由板的单层中的聚合物制成。光子神经元件可以支持设计灵活性，同时减少光损耗。
根据本发明的实施例，多个光发射器被分成差分对，其中差分对的光发射器之一发射可变光信号，而差分对的另一个光发射器发射参考光信号。光子神经元件还可包括安装在板上的多个半导体芯片，每个半导体芯片包括一个或多个差分对。每个半导体芯片可以包括两个或更多个差分对。光子神经元件可以作为神经网络或其一部分支持光子神经元件的功能。
根据本发明的实施例，多个节点间波导包括被布置为同心环的具有两个或更多个节点间波导的第一环，所述多个光发射器可包括具有设置在第一环内部的两个或更多个光发送器的第一内部光发射器组，并且多个光接收器可以包括具有设置在第一环内部的两个或更多个光接收器的第一内光接收器组。光子神经元件可以作为神经网络或其一部分支持的光子神经元件的输入/输出功能和可扩展性。
根据本发明的实施例，多个反射镜包括第一反射镜组，第一反射镜组的每个反射镜部分地反射在第一环的节点间波导上传播的光信号，以提供反射光信号，并且光子神经元件还可以包括形成在板上的多个第一输出波导，使得第一输出波导中的至少一个穿过第一环的节点间波导中的至少一个，其中一个交叉波导穿过另一个交叉波导的核心或包层，每个第一输出波导连接到第一环的外部，并被配置为接收由第一反射镜组的反射镜产生的反射光信号并将反射的光信号发送到在第一环之外。光子神经元件还可以包括形成在板上的第一输出滤光器，第一输出滤光器被配置为在反射光信号被由接收反射的光信号的第一环的输出波导传输到第一环之外之前将权重应用于由多个反射镜的反射镜产生的反射光信号。多个光接收器可包括第一外部光接收器组，其具有设置在第一环外部的两个或更多个光接收器，第一外部光接收器组的每个光接收器连接到多个第一输出波导的第一输出波导并配置成接收由第一输出波导传输的反射光信号。多个节点间波导可以包括被布置为同心环的具有两个或更多个节点间波导的第二环，所述多个光发射器可以包括具有布置在第二环内部的两个或多个光发射器的第二内部光发射器组，和具有设置在第二环外部的两个或更多个光发射器的第二外部光发射器组，多个光接收器可包括具有设置在第二环内部的两个或更多个光接收器的第二光接收器组，光子神经元件还可以包括在板上形成的多个第二输入波导，使得第二输入波导中的至少一个穿过第二环的节点间波导中的至少一个，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层，每个第二输入波导光连接到第二外部光发射器组的光发射器并被配置为接收从光发射器发射的光信号，并将接收的光信号发送到第二环的节点间波导，并且多个节点内信号线可包括多个环间节点内信号线，每个环间节点内信号线连接到第一外部光接收器组的光接收器和第二外光发射器组的光发射器，并配置成接收表示光接收器接收的光信号的功率的电信号，并将电信号发送到光发射器，从而连接光接收器和光发射器以形成神经元的输入和输出。光子神经元件可以作为神经网络或其一部分支持的光子神经元件的输入/输出功能和可扩展性。
根据本发明的实施例，光子神经元件还可包括形成在板上的多个第一输入波导，使得第一输入波导中的至少一个穿过第一环的节点间波导中的至少一个，其中，一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层，每个第一输入波导连接到第一环的外部，并被配置为从第一环外部接收光信号并将接收的光信号发送到第一环的节点间波导。所述多个光发射器可包括具有设置在所述第一环外部的两个或更多个所述光发射器的第一外光发射器组，所述第一外光发射器组的每个第一光发射器光连接到所述多个第一输入波导中的第一输入波导，并且被配置为发射将由第一输入波导传输的光信号。多个节点间波导可以包括被布置为同心环的具有两个或更多个节点间波导的第二环，所述多个光发射器可以包括具有设置在第二环内部的两个或更多个光发射器的第二内部光发射器组，多个光接收器可包括具有设置在所述第二环内部的两个或更多个光接收器的第二光接收器组，以及具有设置在所述第二环外部的两个或更多个所述光接收器的第二外部光接收器组，多个反射镜可包括第二反射镜组，所述第二反射镜组的每个反射镜配置成部分反射在所述第二环的节点间波导上传播的光信号以产生反射光信号，所述光子神经元件还可包括形成在板上的多个第二输出波导，使得至少一个第二输出波导穿过第二环的节点间波导中的至少一个，其中一个交叉波导的核心穿过另一个的核心或包层，每个第二输出波导光连接到第二外部光接收器的光接收器组，并被配置为接收第二反射镜组的反射镜产生的反射光信号，并将反射光信号传输至光接收器，多个节点内信号线可包括多个环内节点信号，每个环内部的节点内信号线连接到第一外部光接收器组的光发射器和第二外部光接收器组的光接收器，并且被配置为接收表示由光接收器接收的光信号的功率的电信号，并将电信号发送到光发射器，从而连接光接收器和光发射器以形成神经元的输入和的输出。光子神经元件可以作为神经网络或其一部分支持光子神经元件的输入/输出功能和可扩展性。
通过以下结合附图对实施例的描述，本发明的上述和其他特征和优点将变得更加明显。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的用于光子神经元件的波导结构的示例示意图；
图2示出了图1中所示的波导结构的区域的示例示意图；
图3示出了图1所示的包括反射镜的反射系数的波导结构的示例性示意图；
图4示出了图1中所示的包括反射镜的反射系数波的导结构的示例性示意图；
图5示出了图1所示的包括反射镜的反射系数的波导结构的示例性示意图；
图6示出了图1所示的包括反射镜的反射系数的波导结构的示例性示意图；
图7示出了图2中所示的包括任意重量的滤光器的波导结构的区域的示例性示意图；
图8示出了其上形成有发射器芯片和发射波导的板的一部分的示例性示意侧视图；
图9示出了其上形成有接收器芯片和接收波导的板的一部分的示例性示意侧视图；
图10示出了根据本发明实施例的用于光子神经元件的波导结构的示例示意图；以及
图11示出了根据本发明实施例的用于光子神经元件的波导结构的示例示意图。
具体实施方式
在下文中，将描述本发明的示例实施例。实施例不应被解释为限制由权利要求限定的本发明的范围。实施例中描述的特征的组合不一定是本发明必不可少的。
图1示出了根据本发明实施例的用于光子神经元件100的波导架构的示例示意图。使用图1中所示的波导架构，光子神经元件100可以通过具有低损耗的光信号传输经由形成的波导以便在板(例如，印刷电路板)上彼此交叉来支持光子尖峰计算。因此，所公开的波导架构可以在提高传统电子方法的速度限制的同时允许设计灵活性(例如，布局，材料等)。光子神经元件100可以包括多个光发射器芯片110A至110D、多个光接收器芯片120A至120D、多个节点间波导130-1至130-16、多个反射镜140A至140D(从发射器反射镜)、多个发射波导150-1至150-16、多个反射镜160A至160D(至接收反射镜)、多个接收波导170A-1至170A-16(具有170A-1，在该实施例中省略了170A-5,170A-9和170A-13)、170B-1至170B-16(具有170B-2，在该实施例中省略了170B-6，170B-10和170B-14)、170C-1至170C-16(具有170C-3，在该实施例中省略了170C-7,170C-11和170C-15)、170D-1至170D-16(具有170D-4,在该实施例中省略了170D-8，170D-12，170D-16)、多个滤光器180A至180D、以及多个节点内信号线190-1至190-16。
为了便于说明，在节点间波导130-1至130-16中，仅示出了最里面的节点间波导130-1和最外面的信号线130-16，其间的省略号表示节点波导130-2至130-15。类似地，除了在各个光接收器芯片120A至120D附近之外，仅示出接收波导120A-1至120A-16、120B-1至120B-16、120C-1至120C-16、120D-1至120D的一部分，使用椭圆形表示剩余的接收波导，如图2中更详细地示出的(下面描述)。此外，由于空间有限，在多个发射波导150-1至150-16中，仅发射波导150-3、150-7、150-11和150-15在图1中给出了附图标记。类似地，在所示的多个接收波导中，仅接收波导170C-2、170C-6、170C-10和170C-14在图1中给出了附图标记，并且在多个节点内信号线190-1至190-16中，仅节点内信号线190-1、190-5、190-9和190-13在图1中给出了附图标记。然而，在图1中省略了发射波导、接收波导、和节点内信号线的附图标记，可以参考整个本公开，应理解字母后缀A至D指的是对应的光发射器芯片110A至110D和光接收器芯片120A至120D以及还理解数字后缀-1到-16表示相应的节点间波导130-1到130-16。
光发射器芯片110A包括多个光发射器110-1、110-5、110-9和110-13。类似地，光发射器芯片110B包括多个光发射器110-2、110-6、110-10和110-14，光发射器芯片110C包括多个光发射器110-3、110-7、110-11和110-15，光发射器芯片110D包括多个光发射器110-4、110-8、110-12和110-16，但为了便于说明，仅显示了光发射器110-1、110-5、110-9和110-13。在该示例中，数字后缀指的是光发射器通过如下所述的发射波导连接到的相应的节点间波导。光发射器110-1至110-16中的每一个可以是例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，使得光发射器芯片110A至110D中的每一个可以包括具有VCSEL作为光发射器包括其中的VCSEL阵列。由每个光发射器芯片110A至110D中的多个光发射器发射的光信号可以以相同的波长发射。例如，由所有光发射器110-1至110-16发射的所有光信号可以以相同的波长发射。因此，多个光发射器110-1至110-16可以包括以相同的波长发射光信号的两个或更多个光发射器(例如，光发射器110-1至110-16)。光发射器芯片110A至110D可以是安装在板(例如印刷电路板)上的半导体芯片。以这种方式，安装在板上的多个半导体芯片可以包括光发射器芯片(例如，光发射器芯片110A和110B)，每个光发射器芯片包括一个或多个光发射器(例如，光发射器芯片110A的光发射器110A-1，光发射器芯片110B的光发射器110B-1)，并且光发射器芯片可包括其一个或多个光发射器发射第一波长光信号的第一光发射器芯片(例如，光发射器芯片110A)，以及其一个或多个光发射器发射不同于第一波长的第二波长的光信号的第二光发射器芯片(例如，光发射器芯片110B)。
多个光发射器110-1至110-16可以被划分为差分对，其中差分对的光发射器之一发射可变光信号，而差分对的另一个光发射器发射参考光信号。例如，每个光发射器芯片(例如，光发射器芯片110A)的第一和第二光发射器(例如，光发射器110-1和110-5)可以是分别发射可变光信号和参考光信号的差分对。以这种方式，光发射器芯片110A至110D中的每一个可以包括一个或多个差分光发射器对。类似地，每个光发射器芯片(例如，光发射器芯片110A)的第三和第四光发射器(例如，光发射器110-9和110-13)可以是分别发射可变光信号和参考光信号的差分对。因此，光发射器芯片110A至110D中的每一个可以包括两个或更多个差分光发射器对。作为示例，在差分对光发射器110-1和110-5中，光发射器110-1可以发射具有可变功率“SigA1”的可变光信号，并且光发射器110-5可以发射具有恒定功率“RefA1”的参考光信号，使得该差分对可以发送对应于SigA1-RefA1的差分功率的信号值。或者，在差分对中，光发射器110-1可以发射可变光信号“SigA1_positive”，并且光发射器110-5可以发射可变光信号“SigA1_negative”，其是“SigA1_positive”的反相信号。在该实现中，信号值可以通过1/2(SigA1_positive-SigA1_negative)来计算。如在本公开中所描述的，这些信号之一(正或负)可以被称为“可变”而另一个被称为“参考”。
光接收器芯片120A包括多个光接收器120-1、120-5、120-9和120-13。类似地，光接收器芯片120B包括多个光接收器120-2、120-6、120-10和120-14，光接收器芯片120C包括多个光接收器120-3、120-7、120，光接收器芯片120D包括多个光接收器120-4、120-7、120-12和120-16，但为了便于说明，仅显示了光接收器120-1、120-5、120-9和120-13。在该示例中，如下所述，数字后缀指的是光接收器未通过接收波导连接到的相应节点间波导。(更具体地，如下面更详细描述的，每个光接收器可以通过节点内信号线连接到光发射器，同时通过多个接收波导连接到多个节点间波导。已经通过任意约定选择光接收器的数字后缀，以匹配所连接的光发射器的数字后缀，这导致对应于光接收器未通过接收波导连接的节点间波导的数字后缀。)光接收器120-1至120-16的光学二极管可以是例如光电二极管，使得光接收器芯片120A至120D中的每一个可以包括具有光电二极管作为其中包括的光接收器的光电二极管阵列。光接收器芯片120A至120D可以是安装在板(例如印刷电路板)上的半导体芯片。该板可以是安装光发射器芯片110A至110D的同一板。以这种方式，安装在板上的多个半导体芯片可以包括光接收器芯片(例如，光接收器芯片120A和120B)，每个光接收器芯片包括一个或多个光接收器(例如，光接收器芯片120A的光接收器120A-1，光接收器芯片120B的光接收器120B-1)。更一般地，安装在板上的每个半导体芯片可以包括至少一个光发射器(例如，光发射器110A-1)或至少一个光接收器(例如，光接收器120A-1)。
多个节点间波导130-1至130-16形成在板(例如，印刷电路板)上，并且可以由板的单层中的聚合物制成。(注意，板上的“上”不限于在板的上层中形成，并且包括在板内部的形成。)多个节点间波导130-1至130-16可以形成在同一板上，其中安装了光发射器芯片110A至110D和/或光接收器芯片120A至120D。多个节点间波导130-1至130-16可以布置为同心环，例如圆形、椭圆形、椭圆、圆角正方形或矩形、圆形五边形或任何其他圆形多边形或可以布置为同心环的其他形状。在多个光发射器110-1至110-16包括发射相同波长的光信号的两个或更多个光发射器的情况下，多个节点间波导130-1至130-16可以包括专用于两个或多个光发射器中的每一个的节点间波导。也就是说，节点间波导可以专用于光发射器，意思是它们仅传播从它们专用的光发射器发射的光信号。多个节点间波导130-1至130-16可以分别专用于多个光发射器110-1至110-16。
在板(例如印刷电路板)上形成多个发射波导150-1至150-16，使得发射波导150-1至150-16中的至少一个穿过节点间波导130-1至130-16的至少一个，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层。多个发射波导150-1至150-16可以形成在：形成节点间波导130-1至130-16的同一板上；和/或安装光发射器芯片110A至110D和/或光接收器芯片120A至120D的相同板上。发射波导150-1至150-16和节点间波导130-1至130-16可以由板的单层中的聚合物制成。每个发送波导150-1至150-16可以光连接到多个光发送器110-1至110-16的光发送器，并且被配置为接收从光发送器发射的光信号并将接收的光信号发送到多个节点间波导130-1至130-16的节点间波导。在图1的示例中，不与任何节点间波导130-1至130-16交叉的发送波导150-1(附图标记省略，参见图2)光连接到光发射器110-1(如通过其定位示意性地示出的)并且被配置为接收从光发射器110-1发射的光信号并将接收的光信号发送到节点间波导130-1。类似地，发射波导150-5(附图标记省略，参见图2)光连接到光发射器110-5并且配置成接收从光发射器110-5发射的光信号并将接收的光信号发送到节点间波导130-5。然而，与发送波导150-1不同，发送波导150-5与节点间波导130-1至130-16中的至少一个，即节点间波导130-1至130-4，交叉。由于发射波导150-5和节点间波导130-1至130-4的光学性质(尺寸，折射率分布等)，发射波导150-5的核心可以穿过节点间波导130-1到130-4的核心或包层，在到节点间波导130-5的途中。或者，节点间波导130-1至130-4的每个的核心可以穿过发射波导150-5的核心或包层。为了减少交叉波导之间的光信号的串扰(例如，来自一个与另一个波导中的光信号组合的波导的光信号的一部分)，交叉波导处的交叉波导之间的角度可以接近或基本上为90度。此外，可以应用一些专用索引配置文件方案来减少损失。(参见，例如，美国专利申请公开号No.2013/0101256A1(“Designfor reducing loss in intersection in optical waveguides”(减少光波导交叉损耗的设计)))。正如发射波导150-1和150-5光连接并配置成接收从各个光发射器110-1和110-5发射的光信号，并将接收的光信号发射到相应的节点间波导130-1和130-5，多个发射波导150-1至150-16可以光连接并配置成接收从各个光发射器110-1至110-16发射的光信号，并将接收的光信号发射到节点间波导130-1到130-16，应当理解，数字后缀-1到-16表示相应的光发射机110-1到110-16和节点间波导130-1到130-16。
在板(例如，印刷电路板)上形成多个反射镜140A至140D(来自发射器反射镜)，每个反射镜140A至140D被配置为将在多个发射波导150-1至150-16传播的光信号反射在多个节点间波导130-1至130-16的节点间波导上，使得从光发射器110-1至110-16发射的光信号被传输至节点间波导130-1至130-16。例如，反射镜140A可以将在发射波导150-1、150-5、150-9和150-13上传播的光信号分别反射到节点间波导130-1、130-5、130-9和130-13上。类似地，反射镜140B可以将在发射波导150-2、150-6、150-10和150-14上传播的光信号分别反射到节点间波导130-2、130-6、130-10和130-上；反射镜140C可以将在发射波导150-3、150-7、150-11和150-15上传播的光信号分别反射到节点间波导130-3、130-7、130-11和130-上；反射镜140D可以将在发射波导150-4、150-8、150-12和150-16上传播的光信号分别反射到节点间波导130-4、130-8、130-12和130-16上。如整个本公开所使用的，术语“反射镜”可以指布置为反射镜阵列的多个反射镜元件。例如，反射镜140A可以包括多个反射镜元件，这些反射镜元件分别反射在发射波导150-1、150-5、150-9和150-13的每一个或多个上传播的光信号。类似地，反射镜140B可以包括多个反射镜元件，其分别反射在发射波导150-2、150-6、150-10和150-14的每一个或多个上传播的光信号。而且，术语“反射镜”可以指反射镜阵列的单个反射镜元件。多个反射镜140A至140D可以形成在：形成节点间波导130-1至130-16的同一板上；和/或安装光发射器芯片110A至110D和/或光接收器芯片120A至120D的同一板上。对于入射在面向发射波导150-1至150-16的一侧上的光，多个反射镜140A至140D可以具有基本为1的反射系数，而对于入射在相对侧上的光，反射系数具有基本为0的反射系数。以这种方式，反射镜140A至140D可以将由发射波导150-1至150-16发射的光信号反射到节点间波导130-1至130-16上，同时允许已经在节点波导130-1至130-16上传播的光信号通过。这在多个反射镜140A至140D不是反射镜元件阵列而是与所有节点间波导130-1至130-16交叉的简单反射镜的情况下尤其有用。在反射镜140A至140D与所有节点间波导130-1至130-16交叉或包括用于所有节点间波导130-1至130-16的反射镜元件的情况下，光在面向发射波导的一侧入射的反射系数，对于没有发射波导连接的节点间波导，可以基本上为零、基本上为一、或任意数。
在板(例如，印刷电路板)上形成多个反射镜160A至160D(至接收反射镜)，每个反射镜160A至160D被配置为部分地反射在多个节点间波导130-1至130-16的节点间波导上传播的光信号以产生反射光信号。例如，反射镜160A可以部分地反射在节点间波导130-1至130-16的每一个上传播的光信号。类似地，反射镜160B至160D中的每一个可以部分地反射在节点间波导130-1至130-16的每一个上传播的光信号。多个反射镜160A至160D可以形成在：形成节点间波导130-1至130-16的同一板上；和/或安装光发射器芯片110A至110D和/或光接收器芯片120A至120D的同一板上。
在板(例如印刷电路板)上形成多个接收波导170A-1至170A-16(具有170A-1，在该实施例中省略了170A-5、170A-9和170A-13)，170B-1至170B-16(具有170B-2，在该实施例中省略了170B-6、170B-10和170B-14)，170C-1至170C-16(具有170C-3，在该实施例中省略了170C-7、170C-11和170C-15)，170D-1至170D-16(具有170D-4，在本实施例中省略170D-8、170D-12和170D-16)(下文统称为接收波导170A-1至170D-16)，使得接收波导170A-1至170D-16中的至少一个穿过节点间波导130-1至130-16中的至少一个，其中交叉波导的一个具有核心，其穿过另一个交叉波导的核心或包层。多个接收波导170A-1至170D-16可以形成在：形成节点间波导130-1至130-16的同一板上；和/或安装光发射器芯片110A至110D和/或光接收器芯片120A至120D的同一板上。接收波导170A-1至170D-16、发射波导150-1至150-16、以及节点间波导130-1至130-16可以由板的单层中的聚合物制成。每个接收波导170A-1至170D-16可以光连接到多个光接收器120-1至120-16中的光接收器，并且被配置为接收由多个反射镜160A到160D的反射镜产生的反射光信号，并将反射的光信号发送到光接收器。在图1所示的例子中(也参见图2)，接收波导170A-2(图1中省略的附图标记)光连接到光接收器120-1，并配置成接收由反射镜160A产生的反射光信号，并将反射光信号发送到光接收器120-1。注意，如下面参考图2更详细地描述的，接收波导170A-2通过两个组合器210经由接收波导170A-3和170A-4光连接到光接收器120-1。这样，可以说接收波导170A-2、170A-3和170A-4的每一个光连接到光接收器120-1。(类似地，可以说接收波导170-14、170-15和170-16的每一个光连接到光接收器120-13。)接收波导170A-2与节点间波导130-1至130-16的至少一个，即节点间波导130-1，交叉。由于接收波导170A-2和节点间波导130-1的光学特性(尺寸，折射率分布等)，接收波导170A-2的核心可以穿过节点波导130-1的核心或包层，在到达光接收器120-1的路上。或者，节点间波导130-1的核心可以穿过接收波导170A-2的核心或包层。为了减少交叉波导之间的光信号的串扰(例如，来自一个与另一个波导中的光信号组合的波导的光信号的一部分)，交叉波导处的交叉波导之间的角度可以接近或基本上为90度。正如接收波导170A-2光连接到光接收器120-1并且被配置为接收由反射镜160A产生的反射光信号并将反射光信号传输到光接收器120-1，接收波导170A-1至170D-16中的多个可以光连接到光接收器120-1到120-16，并且被配置为接收由反射镜160A到160D产生的反射光信号，并将反射光信号发送到光接收器120-1到120-16。如下面参照图2更详细地描述的，接收波导170A-1至170D-16的附图标记被定义为使得字母后缀A至D指代对应的光接收器芯片120A至120D以及数字后缀-1至-16指的是相应的接收波导从此处接收光信号的节点间波导130-1至130-16。
在板(例如，印刷电路板)上形成多个滤光器180A至180D，每个滤光器180A至180D被配置为在由接收反射光信号的接收波导170A-1至170D-16将反射光信号发送到光接收器120-1至120-16之前，对由多个反射镜160A至160D的反射镜产生的反射光信号施加权重。例如，在由接收波导170A-2、170A-3、170A-4、170A-6、170A-7、170A-8、170A-10、170A-11、170A-12、170A-14、170A-15和170A-16将反射的光信号发送到光接收器120-1、120-5、120-9和120-13之前，滤光器180A可以对由反射镜160A产生的反射光信号施加权重。类似地，在反射的光信号被分别发送到光接收器芯片120B的光接收器120-2、120-6、120-10，光接收器芯片120C的光接收器120-3、120-7、120-11和120-15，以及光接收器芯片120D的光接收器120-4、120-8、120-12、和120-16之前，滤光器180B到180D中的每一个可以分别对由反射镜180B到180D产生的反射光信号施加权重。多个滤光器180A至180D可以形成在：形成节点间波导130-1至130-16的同一板上；和/或安装光发射器芯片110A至110D和/或光接收器芯片120A至120D的同一板上。多个滤光器180A至180D中的任何一个或全部可以是中性密度滤光器。如整个本公开所使用的，术语“滤光器”可以指布置为滤光器阵列的多个滤光器元件。例如，滤光器180A可以包括多个滤光器元件，其对在接收波导170A-2、170A-3、170A-4、170A-6、170A-7、170A-8、170A-10、170A-11、170A-12、170A-14、170A-15和170A-16的每一个上发送的光信号施加单独的权重。类似地，滤光器180B可以包括多个滤光器元件，其对由接收波导170B-1、170B-3、170B-4、170B-5、170B-7、170B-8、170B-9、170B-11、170B-12、170B-13、170B-15和170B-16中的每一个发送的光信号施加单独的权重。
节点内信号线190-1至190-16中的每一个连接至多个光接收器120-1至120-16中的光接收器以及多个光发射器110-1至160-1中的光发射器，并且被配置为接收由光接收器接收的光信号的功率表示的电信号，并将电信号发送到光发送器，从而连接光接收器和光发送器以形成神经元的输入和输出。例如，节点内信号190-1可以连接到光接收器120-1和光发射器110-1，并且被配置为接收由光接收器120-1接收的光信号的功率表示的电信号，并且将电信号发送到光发射器110-1，从而连接光接收器120-1和光发射器110-1以形成神经元的输入和输出。(各种波导，包括发射波导、接收波导和节点间波导，因此可以用作突触。)以这种方式，在图1所示的具体示例中，每组发射器芯片110和接收器芯片120具有相同的字母后缀(例如，发射器芯片110A和接收器芯片120A)可以包括两个或四个神经元，这取决于光发射器110-1到110-16是否被分成差分对。在差分对的情况下，例如，发射器芯片组110A和接收器芯片120A可包括具有可变光发射器110-1、参考光发射器110-5、光接收器120-1和120-5、节点内信号线190-1和190-5的第一神经元，并且可包括具有可变光发射器110-9、参考光发射器110-13、光接收器120-9和120-13、以及节点内信号线190-19和190-13的第二神经元。然而，芯片对中的神经元的数量可以是任何数量。此外，在一些实施例中，光发射器和光接收器可以在单个芯片中实现。
在图1的示例中，光发射器芯片110A至110D中的每一个包括相同数量的光发射器(例如，用于光发送器芯片110A的四个光发射器110-1、110-5、110-9和110-13)以及光接收器芯片120A至120D的每一个包括相同数量的光接收器(例如，用于光接收器芯片120A的四个光接收器120-1、120-5、120-9和120-13)。此外，包括在光发射器芯片110A至110D中的每一个中的光发射器的数量(例如，四个)与包括在光接收器芯片120A至120D中的每一个的光接收器的数量(例如，四个)相同。在这种情况下，经由发射波导连接到光发射器芯片的每一个的节点间波导130-1到130-16的数量(例如，四个，例如经由发射波导150-1、150-5、150-9和150-13连接到光发射器芯片110A的节点间波导130-1、130-5、130-9和130-13或经由发射波导150-2、150-6、150-10和150-14连接到光发射器芯片110B的节点间波导130-2、130-6、130-10、和130-14)可以与包括在光发射器芯片的每一个中包括的光发射器的数量(例如，4个)以及光接收器芯片的每一个中包括的光接收器的数量(例如，4个)相同。
图2示出了图1中所示的波导结构的区域的示例图，即图1中由虚线圆圈指示的区域。如图2所示，发射波导150-1、150-5、150-9和150-13接收分别从光发射机芯片110A的光发射机110-1、110-5、110-9和110-13发射的光信号，并将接收的光信号分别通过反射镜140A发送到节点间波导130-1、130-5、130-9和130-13。同时，在节点间波导130-2、130-3、130-4、130-6、130-7、130-8、130-10、130-11、130-12、130-14、130-15和130-16上传播的光信号，被反射镜160A反射，并且反射的光信号分别由将被发送到光接收器芯片120A的光接收器120-1、120-5、120-9和120-13的接收波导170A-2、170A-3、170A-4、170A-6、170A-7、170A-8、170A-10、170A-11、170A-12、170A-14、170A-15和170A-16接收。对应于节点间波导130-1、130-5、130-9和130-13的接收波导(例如，接收波导170A-1、170A-5、170A-9和170A-13)是在本实施例被省略，因为节点间波导130-1、130-5、130-9和130-13传播从与光接收器芯片120A相连的光发射器芯片110A发射的光信号，二者作为芯片对以形成一个或多个神经元。
以实线示出的节点间波导承载光信号，而在图2所示的部分中以虚线示出的节点间波导基本上是“空的”。由于反射镜160A至160D的反射系数参照下面的图3-6示出和描述的，反射镜160A反射在节点间波导130-2、130-6、130-10和130-14中传播的剩余光信号，因此清空这些节点间波导(因此它们是穿过反射镜160A后的虚线)，而已经由反射镜160D清空的已经空的节点间波导130-1、130-5、130-9和130-13经由反射镜140A接收来自发射波导150-1、150-5、150-9和150-13的光信号(因此它们在穿过反射镜140A之后是实线)。
还如图2所示，光子神经元件还可包括形成在板上的多个组合器210，每个组合器配置成将输入光信号光添加到在多个接收波导170A-1至170D-16的接收波导上传播的光信号上。在图2中，示出了八个这样的组合器210(其中三个给出了附图标记)。例如，图2中所示的最上面的组合器210(连接接收波导170A-2和170A-3)具有由第一入口臂和出口臂连接到第一接收波导170A-3的y形波导结构，组合器210被配置为接收在第二接收波导170A-2上传播的光信号作为输入信号，使得输入信号进入y形波导结构的第二入口臂并且加入在第一接收波导170A-3上传播的光信号，其中第二入口臂与y形波导结构的第一入口臂相交。y形波导结构210的第一入口臂和出口臂可以在物理上是第一接收波导170A-3的长度，例如，在第二入口臂与第一接收波导170A相交的点之前和之后的那些长度以形成y形波导结构。类似地，y形波导结构的第二入口臂可以在物理上是第二接收波导170A-2的长度。以这种方式，在接收波导的每一个(例如，接收波导170A-2)上传播的光信号可以通过多个组合器中的组合器210光添加到在接收波导的另一个(例如，接收波导170A-3)上传播的光信号，同时被传送到与接收波导连接的光接收器(例如，120-1)，在通过多个光学滤光器的一个光学滤光器(例如，180A)施加重量应用权重之后发生光相加。
图2中所示的其他七个组合器210可以具有与它们连接的接收波导相同的功能。这样，三个接收波导170A-2、170A-3和170A-4可以组合成一个接收波导170A-4，三个接收波导170A-6、170A-7和170A-8可以组合在一个接收波导170A-8中，三个接收波导170A-10、170A-11和170A-12可以组合成一个接收波导170A-12，以及三个接收波导170A-14、170A-15和170A-16可以组合成一个接收波导170A-16。取决于组合器210的结构，可以使用更少的组合器210，例如，每个组合器210形成为组合三个接收波导的单个三对一y形波导结构。可以为所有接收波导170A-1至170D-16提供类似的组合器210。例如，如果与每个光接收器芯片120A至120D相关联的接收波导通过八个组合器如图2所示相对于光接收器芯片120A连接，则图1中所示的架构可具有三十二个这样的组合器210。
图3示出图1中所示的波导架构的实例图，包括反射镜160A的反射系数。图4示出了图1中所示的波导结构的示例图，包括反射镜160B的反射系数。图5示出了图1中所示的波导结构的示例图，包括反射镜160C的反射系数。图6示出了图1中所示的波导结构的示例图，包括反射镜160D的反射系数。由于空间有限以及为了简化，在图3-6仅给出光发射器芯片110A至110D、光接收器芯片120A至120D、节点间波导130-1至130-16(部分由省略号表示)和反射镜160A至160D的附图标记。如上面参考图1和2所述，节点间波导130-1至130-16中的每一个专用于单个对应的光发射器110-1至110-16，以便传播从该光发射器发射的光信号。在图3-6所示的示例中，反射镜160A至160D被配置成使得每个芯片对(每对光接收器芯片和光发射器芯片)的光接收器芯片120A至120D接收由其他芯片对的光发送器芯片发射的所有光信号。例如，反射镜160A被配置为使得光接收器芯片120A接收由光发送器芯片120B、120C和120D发射的所有光信号。具体地，如上所述，术语“反射镜”可以指布置为反射镜阵列的多个反射镜元件。因此，反射镜160A至160D中的每一个可以包括多个反射镜元件，其分别反射在节点间波导130-1至130-16的每一个或多个上传播的光信号。利用图3-6所示的波导结构，在节点间波导130-1至130-16上传播的光信号逆时针行进。因此，当光发射器芯片110D发射的光信号到达反射镜160A以反射到光接收器芯片120A时，光信号尚未到达反射镜160B和160C以反射到光接收器芯片120B和120C，并且必须允许相应地通过反射镜160A传输。当光发射器芯片110C发射的光信号到达光接收器120A时，光信号尚未到达镜160B并且必须相应地允许通过镜160A传输。当光发射器芯片110C发射的光信号到达光接收器120A时，光信号不需要进一步前进(在不需要由作为光发射器芯片110C的相同芯片对的光接收器芯片110C接收的情况下)。
基于这些原理，反射镜160A至160D可以如图3-6所示配置。使用图3作为代表性示例，针对每个节点间波导130-1至130-16示出了反射镜160A的反射系数。在表的左侧列中是数字1到16，分别指代节点间波导130-1到130-16。在表格的右侧列是反射系数。如图所示，用于节点间波导130-4、130-8、130-12和130-16的反射镜160A的反射系数约为0.33或三分之一，允许从光发射器芯片110D发射的光信号仍由两个光接收器芯片120B和120C接收，用于节点间波导130-3、130-7、130-11和130-15的反射镜160A的反射系数约为0.5，允许从光发射器芯片110C发射的光信号的剩余三分之二的一半仍然由一个光接收器芯片120B接收(第一个三分之一已被反射镜160D反射)，并且用于节点间波导130-2、130-6、130-10和130-14的反射镜160A的反射系数约为1，例如，从光发射器芯片110C发射的光信号的其余部分(在前三分之二已经被反射镜160C和160D反射之后)。至于用于节点间波导130-1、130-5、130-9和130-13的反射镜160A的反射系数，它在图3中表示为0*，因为在一些实施例中它可以是零，允许反射镜160A对从光发射器芯片110A发射的剩余光信号没有反射，或者在被反射镜160B、160C、160D反射之后，假设没有这样的光信号保留在节点间波导130-1、130-5、130-中，发射系数可以是任意值。如图4、5、6所示，反射镜160B、160C和160D可以相应地配置。因此，对于通过节点内信号线190-1至190-16连接到光发射机110-1至110-16的光接收机120-1至120-16的每一个，多个反射镜160A至160D包括其反射光信号被传输到光接收器，并且对于由光发射器发射的光信号，其反射系数基本为零的反射镜。注意，在反射镜(例如，反射镜160A)指的是反射镜阵列的情况下，对于由特定光发射器发射的光信号具有基本为零的反射系数(例如，对于特定的节点间波导上的光信号)可以指在反射镜阵列中的该位置处没有反射镜元件或者在该位置处具有任何非反射表面，包括透明表面。利用约0.33、0.5和1的反射系数，来自每个光发射器的每个光信号可以基本上被反射并被分成具有基本相同功率的多个光信号(例如，在该实施例中在不考虑通过波导的光损耗的情况下，为发送光信号的1/3)。每个分开的光信号可以通过相应的接收波导传播。
图7展示图2中所示的波导架构的区域的实例图，其包括滤光器180A的任意权重。由于空间有限以及为了简单，只有节点间波导130-1到130-16、发射波导150-1、150-5、150-9和150-13，接收波导170A-2、170A-3、170A-4、170A-14、170A-15和170A-16，以及滤光器180A在图7中给出了附图标记，参见图3-6中，在节点间波导130-1至130-16的每一个上传播的光信号(可选地省略在节点间波导130-1、130-5、130-9和130-13上传播的光信号)可以由反射镜160A反射，使得十六(或十二)个发射器中的每一个的反射光信号由相应的接收波导170A-1到170A-16发射(可选地省略接收波导170A-1、170A-5、170A-9和170A-13，如本例所示)到光接收器芯片120A。对于接收波导170A-1至170A-16的每一个，加权可以是不同的，因为滤光器可以是包括如上所述的多个滤光器元件的滤光器阵列。
在图7所示的具体示例中，针对每个接收波导170A-1至170A-16描绘了任意权重(但是可以省略对应于省略的接收波导170A-1、170A-5、170A-9和170A-13的滤光器)。为简单起见，使用三种色调：白色代表相对“透明”的过滤，例如高权重；黑色代表相对“不透明”的过滤，例如低权重，灰色代表用中等权重过滤。然而，任何数量的权重等级都是可能的。在图7所示的例子中，分别连接到光接收器120-5和120-13的接收波导170A-5到170A-8以及170A-13到170A-16用于差分对的参考光信号，因此在这个例子中给出了中等权重(灰色)。用于接收波导170A-1至170A-4和170A-9至170A-12的权重旨在表示任意权重的任意分布。以这种方式，滤光器180A可以分别对由光发射器110-1至110-16的每一个发射的光信号加权。类似地，滤光器180B、180C和180D可以通过使用相同或不同的权重分布来单独地对由光发射器110-1至110-16的每一个发射的光信号加权。在一些实施例中，滤光器180A不需要对与光发射器110-1、110-5、110-9和110-13相对应的光信号(例如，在省略了光接收器170A-1、170A-5、170A-9和170A-13上传播的光信号)施加任何权重(或可以施加零权重)，因为可能不存在接收波导170A-1、170A-5、170A-9和170A-13和/或因为反射镜160A到160D可以被配置为防止接收波导170A-1、170A-5、170A-9和170A-13接收光信号(这种光信号已经由相同芯片对的光发射器芯片110A发射)。对于其他滤光器180B至180D，相同的情况也相应地是真实的。
在一些实施例中，可以改变滤光器180A至180D的权重。例如，滤光器180A至180D可包括一个或多个可更换的滤光器，其可被更换，例如物理移除和更换，以改变所施加的权重。这种替换可以通过用户的手动操作来完成。相反，由连接到或包括在光子神经元件100中的控制器或计算机控制的操纵器或机构可以改变每个滤光器180A到180D或每个接收波导170A-1到170D-4上的各个滤光器元件。作为另一个例子，滤光器180A至180D可以包括一个或多个可变滤光器，其透明度可以改变以改变所施加的权重。改变透明度可以以各种方式实现，例如，使用液晶滤光器，其透明度可以通过改变驱动电压来改变，使用光衰减器来改变光的功率，将光信号分成几个子波导并选择性地转动ON和OFF光开关仅允许一部分子波导传播光信号。作为示例，光接收器120-4(光接收器芯片120D的)可以接收具有PRx4＝1/3(WD-1TTx1+WD-2TTx2+WD-3TTx3)的总功率的光信号，而不考虑功率通过波导的损耗，其中TTx1、TTx2,和TTx3表示来自(光发射器芯片110A的)光发射器110-1、(光发射器芯片110B的)光发射器110-2和(光发送器芯片110C的)光发射器110-3的发射光信号的功率，WD-1、WD-2和WD-3分别是基于滤光器180A对接收波导170D-1、170D-2和170D-3的透明系数的权重(其由要发送到光接收器120-4的组合器210组合)，光接收器120-4和120-8的差分对(也是光接收器芯片120D的)接收具有PRx4和PRx8功率的差分光信号，并且接收值是基于这些功率的差异计算的(例如，PRx4&8＝PRx4-PRx8)。每个神经元中可以包括光接收器的一组差分对(例如，120-4和120-8)和相应的光发送器差分对(例如，110-4和110-28)，并且可以通过对接收值或积分和火焰尖峰模型应用神经输出函数f(x)例如sigmoid函数来计算神经元的输出。例如，可以基于f(PRx4&8)确定(例如，按比例确定)使用从光发送器110-4和110-8的差分对输出光功率的差表示的输出信号的值。
图8示出了其上形成发射器芯片110A和发射波导150-1的板的一部分的示例性侧视图。在图8的示例中，其上形成有发送波导150-1的板是安装有光发送器芯片110A的板相同。如图8所示，在板的表面上形成发射波导150-1(由其上形成发射波导150-1的水平表面表示)，以及入射镜810，其定位成将来自垂直于板的方向的光重定向到平行于板的方向，例如，相对于板基本上成45°角。在板上安装，例如通过倒装芯片键合，包括光发射器110-1的光发射器芯片110A，其中光发射器110-1面向板。虚线示意性地表示由光发射器110-1发射的光信号。
图9示出了其上形成接收器芯片120A和接收波导170A-4的板的一部分的示例性侧视图。在图9的示例中，其上形成有接收波导170A-4的板与安装有光接收器芯片170A的板相同。如图9所示，在板的表面上形成接收波导170A-4(由其上形成有发射波导170A-4的水平表面表示)，以及出射镜910，将来自平行于板的方向的光重定向到垂直于板的方向，例如，相对于板基本成45°角。在板上安装，例如通过倒装芯片键合，包括光接收器120-1的光接收器芯片120A，其中光接收器120-1面向板。虚线示意性地表示由光接收器120-4接收的光信号。
关于图8描述的配置也可以应用于连接到光发射器芯片110A的发射波导150-5、150-9和150-13的其余部分，并且关于图9描述的配置也可以应用于连接到光接收器芯片120A的接收波导170A-8、170A-12和170A-16的其余部分。此外，参考图8和9描述的配置可以相应地应用于发射波导150-1至150-16和光发射器芯片110B至110D的其余部分以及对应于接收波导170A-1至170D-16和光接收器芯片120B至120D的其余部分。因此，光发射器芯片110A至110D和光接收器芯片120A至120D中的每一个可以被定位以使得包括在芯片中的至少一个光发射器(例如，光发射器110-1)或包括在芯片中的至少一个光接收器(例如，光接收器120-1)面向板，并且具有经由入射镜810连接到光发射器110-1到110-16的发射波导150-1至150-16以及经由出射镜910连接到光接收器120-1到120-16的接收波导170A-1至170D-16。
光子神经元件100的各种波导和组合器210可以通过在板层中形成下包覆层，在下包覆层上形成核心层，以及在核心层上形成上包覆层来制造。下包覆层和上包覆层可以例如通过使用旋涂或幕涂和烘焙施加第一聚合物来形成。下包覆层和上包覆层可以由多个平行波导共享。核心层可以例如通过使用旋涂或幕涂和烘烤施加第二或相同的聚合物来形成，其中在第二聚合物上形成在作为核心的部分中具有开口的光掩模图案并且用紫外线照射以增加折射率。反射镜140A至140D、反射镜160A至160D、入射反射镜810和出射反射镜910可以在波导的形成期间形成，例如，通过切割芯的端部并通过诸如铝，银等的镜面材料的气相沉积形成反射表面，或者可以使用或全内反射机构。
图10示出了根据本发明的实施例的用于光子神经元件100的波导架构的实例图。图10的架构是如何扩展图1的体系结构以包括更多对发送器和接收器芯片(例如，更多神经元)的示例。为了便于说明，在节点间波导130-1至130-32中，仅示出了最里面的节点间波导130-1和130-17以及最外面的信号线130-16和130-32，使用省略号表示节点间波导130-2至130-15和节点间波导130-18至130-31。类似地，如上面图2中更详细地示出的，在靠近各个光接收器芯片120A至120H中，仅示出了接收波导120A-1至120H-16的一部分，使用省略号表示剩余的接收波导。由于空间有限，在多个发射波导150-2、150-4、150-6、150-8、150-10、150-12、150-14、150-16、150-17、150-18、150-20、150-21、150-22、150-24、150-25、150-26、150-28、150-29、150-30和150-32中(例如，省略下面描述的输入波导1030-1、1030-3、1030-5、1030-7、1030-9、1030-11、1030-13、1030-15、1030-19、1030-23、1030-27和1030-31的发射波导150-1至150-32)，仅发射波导150-4、150-8、150-12和150-16在图10中给出了附图标记。类似地，在多个反射镜140A至140H中(从发射器发射镜)，只有反射镜140B在图10中给予附图标记；在多个反射镜160A至160H(至接收反射镜)中，只有反射镜160B在图10中给出了附图标记；多个滤光器180B、180D、180E、180F和180H中，仅滤光器180B在图10中给出了附图标记；在多个接收波导170B-1至170B-16、170D-1至170D-16、170E-17至170E-32、170F-17至170F-32以及170H-17至170H-32中，仅接收波导170D-3、170D-7、170D-11和170D-15 D-16在图10中给出了附图标记；以及在多个节点内信号线190-2、190-4、190-6、190-8、190-10、190-12、190-14、190-16、190-17、190-18、190-20、190-21、190-22、190-24、190-25、190-26、190-28、190-29、190-30和190-32中，仅节点信号线190-20、190-24、190-28和190-32在图10中给出了附图标记。然而，图7中描绘的省略了发射波导、组合器、反射镜、接收波导、滤光器和节点内信号线的附图标记，可以参考整个本公开，应理解字母后缀A至H指的是相应的光发射器芯片110A至110H和光接收器芯片120H至120H，并且理解该数字后缀为-1至-3指的是相应节点间波导130-1至130-32，如与上面关于图1和图2描述的相同的方式。
正如图1的光发射器芯片110A至110D包括相应的多个光发射器110-1、110-5、110-9、110-13，光发射器110-2、110-6、110-10、110-14，光发射器110-3、110-7、110-11、110-15，对应于分别连接的节点间波导130-1至130-16，图10的光发射器芯片110A至110H包括相应的多个光发射器110-17、110-21、110-25、110-29，光发射器110-18、110-22、110-26、110-30，光发射机110-19、110-23、110-27、110-31，以及光发射器110-20、110-24、110-28、110-32，分别对应于节点间波导130-17至130-32，但为了便于说明，图10中未示出任何光发射器。以相同的方式，正如图1的光接收器芯片120A至120D包括相应的多个光接收器120-1、120-5、120-9、120-13，光接收器120-2、120-6、120-10、120-14，光接收器120-3、120-7、120-11、120-15和光接收器120-4、120-8、120-12、120-16，图10的光接收器芯片120A至120H包括各自的多个光接收器120-17、120-21、120-25、120-29，光接收器120-18、120-22、120-26、120-30，光接收器120-19、120-23、120-27、120-31和光接收器120-20、120-24、120-28、120-32，但是为了便于说明，图10中没有示出光接收器。
在图1的示例中，多个节点间波导130-1至130-16包括第一环(例如，节点间波导130-1至130-16)，其具有两个或更多个布置为同心环的节点波导；多个光发射器110-1至110-16包括第一内部光发射器组(例如，光发射器110-1至110-16)，其具有布置在第一环内部的两个或更多个光发射器；多个光接收器120-1至120-16包括第一内部光接收器组(例如，光接收器120-1至120-16)，其具有设置在第一环内部的两个或更多个光接收器。在图10的示例中，类似于图1，多个节点间波导130-1至130-32包括第一环(例如，节点间波导130-1至130-16)其具有两个或更多个作为同心环布置的节点间波导；多个光发射器110-1至110-32包括第一内部光发射器组(例如，光发射器芯片110B的光发射器110-2、110-6、110-10和110-14和光发射器芯片110D的光发射器110-4、110-8、110-12和110-16)，其具有设置在第一环内部的两个或更多个光发射器，以及多个光接收器120-1至120-32包括第一内部光接收器组(例如，光接收器芯片120B的光接收器120-2、120-6、120-10和120-14以及光接收器芯片120D的光接收器120-4、120-8、120-12和120-16)，其具有设置在第一环内部的两个或更多个光接收器。多个光发射器110-1至110-32还可包括第一外部光发射器组(例如，光发射器芯片110A的光发射器110-1、110-5、110-9和110-13以及光发射器芯片110C的光发射器110-3、110-7、110-11和110-15)，其具有设置在第一环外部的两个或更多个光发射器；并且多个光接收器120-1至120-32可以还包括第一外部光接收器组(例如，光接收器芯片120A的光接收器120-1,120-5,120-9和120-13，以及光接收器芯片120C的光接收器120-3、120-7、120-11、120-15，其具有设置在第一环外部的两个或更多个光接收器。
如图10所示，多个节点间波导130-1至130-32还可包括第二环(例如，节点间波导130-17至130-32)，其具有布置为同心环的两个或更多个节点间波导；多个光发射器110-1至110-32包括第二内部光发射器组(例如，光发射器芯片110E的光发射器110-17、110-21、110-25和110-29以及光发射器芯片110F的光发射器110-18、110-22、110-26和110-30以及光发射器芯片110H的光发射器110-20、110-24、110-28和110-32)，其具有设置在第二环内部的两个或更多个光发射器，并且多个光接收器120-1至120-32包括第二内部的光接收器组(例如，光接收器芯片120E的光接收器120-17、120-21、120-25和120-29，光接收器芯片120F和光接收器的光接收器120-18、120-22、120-26和120-30，光接收器芯片120H的120-20、120-24、120-28和120-32)，其具有设置在第二环内部的两个或更多个光接收器。多个光发射器110-1至110-32还可包括第二外部光发射器组(例如，光发射器芯片110G的光发射器110-19、110-23、110-27和110-31)，其具有设置在第二环外部的两个或多个光发射器。多个光接收器120-1至120-32可以进一步包括第二外部光接收器组(例如，光接收器芯片120G的光接收器120-19、110-23、110-27和110-31)，其具有设置在第二环外部的两个或更多个光接收器。
如上所述，多个节点间波导130-1至130-32可以被划分为多个环(例如，具有节点间波导130-1至130-16的第一环和具有节点间波导130-17至130-32的第二环)，同时光发射器和光接收器(以及同样的光发射器芯片和光接收器芯片)可以分成与每个环相关联的内部组和外部组。以相同的方式，多个反射镜140A至140H(来自发射器反射镜)可以包括第一发射器后的反射镜组(例如，反射镜140A至140D)，第一发射器后反射镜组的每个反射镜布置成将光信号反射到第一环的节点间波导(例如，节点间波导130-1到130-16)上，以及第二发射器后反射镜组(例如，反射镜140E到140H))，第二发射器后反射镜组的每个反射镜被布置成将光信号反射到第二环的节点间波导(例如，节点间波导130-17到130-32)上。同样，多个反射镜160A到160H(到接收器发射镜))可包括第一镜组(例如，镜160A至160D)，第一发射镜组的每个反射镜布置成部分地反射在第一环的节点间波导例如，节点间波导130-1至130-16)上传播的光信号以产生反射光信号；以及第二反射镜组(例如，反射镜160E至160H)，第二反射镜组的每个反射镜布置成部分地反射在第二环的节点间波导(例如，节点间波导130-17至130-32)上传播的光信号以产生反射光信号。滤光器180B、180D、180E、180F和180H以及节点内信号线190-2、190-4、190-6、190-8、190-10、190-12、190-14、190-16、190-17、190-18、190-20、190-21、190-22、190-24、190-25、190-26、190-28、190-29、190-30和190-32类似地分成与每个环相关联的组。
代替接收波导170A-1至170A-16、170C-1至170C-16和170G-17至170G-32，图10的波导架构替代地包括输出波导1010A-1至1010A-16、1010C-1至1010C-16和1010G-17至1010G-32，分成为与第一环相关的第一输出波导1010A-1至1010A-16和1010C-1至1010C-16和与第二环相关的第二输出波导1010G-17至1010G-32。(由于空间有限，在图10中仅给出输出波导1010C-4、1010C-8、1010C-12和1010C-16的附图标记。)可以在板上形成第一输出波导1010A-1至1010A-16和1010C-1至1010C-16，使得第一输出波导中的至少一个(例如，第一输出波导1010C-14)穿过第一环的节点间波导中的至少一个(例如，节点间波导130-16)，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层。每个第一输出波导(例如，1010C-14)可以连接到第一环的外部，并且被配置为接收由第一反射镜组的反射镜(例如，反射镜160C)产生的反射光信号，并将反射光信号传输到第一环的外部。类似地，可以在板上形成第二输出波导1010G-17至1010G-32，使得第二输出波导中的至少一个(例如，第二输出波导1010G-30)穿过第二环的至少一个节点间波导(例如，节点间波导130-32)，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层。每个第二输出波导(例如，1010G-30)可以连接到第二环的外部，并且被配置为接收由第二反射镜组的反射镜(例如，反射镜160G)产生的反射光信号，并将反射光信号传输到第二环的外部。
代替滤光器180A、180C和180G，图10的波导架构替代地包括输出滤光器1020A、1020C和1020G，其被分成与第一环相关联的第一输出滤光器1020A和1020C以及与第二环相关联的第二输出波导1020G。在板形成上第一输出滤光器1020A并且被配置为在由接收反射光信号的第一输出波导(例如，第一输出波导1010A-1至1010A-16)将反射光信号传输到第一环的外部之前将权重施加到由多个反射镜的反射镜160A产生的反射光信号。类似地，在板上形成第一输出滤光器1020C并且被配置为在由接收反射的光信号的第一输出波导(例如，第一输出波导1010C-1至101C-16)将反射光信号传输到第一环外部之前将权重施加到由多个反射镜的反射镜160C产生的反射光信号。相应地，在板上形成第二输出滤光器1020G并且被配置为在由接收反射光信号的第一输出波导(例如，第一输出波导1010G-17至101G-32)将反射光信号传输到第二环的外部之前将权重施加到由多个反射镜的反射镜160G产生的反射光信号。
第一外部光接收器组的每个光接收器(例如，光接收器芯片120A的光接收器120-1、120-5、120-9或120-13或光接收器芯片120C的光接收器120-3、120-7、120-11或120-15)可以光连接到多个第一输出波导的第一输出波导(例如，1010A-1到1010A-16和1010C-1到1010C-16)，并且被配置为接收由第一输出波导传输的反射光信号。类似地，第二外部光接收器组的每个光接收器(例如，光接收器芯片120G的光接收器120-19、110-23、110-27和110-31)可以光连接到多个第二输出波导的第二输出波导(例如，第二输出波导1010G-17至1010G-32)并被配置为接收由第二输出波导传输的反射光信号。也就是说，每个第二输出波导(例如，第二输出波导1010G-17到1010G-32)可以光连接到第二外部光接收器组的光接收器(例如，光接收器芯片120G的光接收器120-19、110-23、110-27和110-31)，并且被配置为接收由第二镜组的反射镜(例如，反射镜160G)产生的反射光信号，并将反射光信号传输到光接收器。在一些实施例中，第一外部光接收器组的一个或多个光接收器(例如，光接收器芯片120A的光接收器120-1、120-5、120-9或120-13或光接收器芯片120C的光接收器120-3、120-7、120-11或120-15)或第二外光接收器组一个或多个光接收器(例如，光接收器芯片120G的光接收器120-19、110-23、110-27和110-31)可以以这种方式用作包括光子神经元件100的神经网络的输出。例如，在图10中所示的波导结构表示作为神经网络的完整光子神经元件100的情况下，光接收器芯片120C可以用作神经网络的输出。
代替发射波导150-1、150-3、150-5、150-7、150-9、150-11、150-13、150-15、150-19、150-23、150-27和150-31，图10的波导结构替代地包括输入波导1030-1、1030-3、1030-5、1030-7、1030-9、1030-11、1030-13、1030-15、1030-19、1030-23、1030-27和1030-31，分成为与第一环相关联的第一输入波导1030-1、1030-3、1030-5、1030-7、1030-9、1030-11、1030-13和1030-15和与第二环相关联的第二输入波导1030-19、1030-23、1030-27和1030-31。(由于空间有限，图10中仅给出了输入波导1030-3、1030-7、1030-11和1030-15的附图标记。)可以在板上形成第一输入波导1030-1、1030-3、1030-5、1030-7、1030-9、1030-11、1030-13和1030-15，使得第一输入波导中的至少一个(例如，第一输入波导1030-11)穿过第一环的节点间波导的至少一个(例如，节点间波导130-15)，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层。每个第一输入波导(例如，1030-11)可以连接到第一环的外部，并且被配置为从第一环的外部接收光信号，并将接收到的光信号发送到第一环的节点间波导(例如，130-11)。类似地，可以在板上形成第二输入波导1030-19、1030-23、1030-27和1030-31，使得第二输入波导中的至少一个(例如，第二输入波导1030-27)穿过第二环的节点间波导中的至少一个(例如，节点间波导130-32)，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层。每个第二输入波导(例如，1030-27)可以连接到第二环的外部，并且被配置为从第二环的外部接收光信号，并将接收到的光信号发送到第二环的节点间波导(例如，130-27)。
第一外部光发射器组的每个光发射器(例如，光发射器芯片110A的光发射器110-1、110-5、110-9和110-13以及光发射器芯片110C的光发射器110-3、110-7、110-11和110-15)可以光连接到多个第一输入波导的第一输入波导(例如，1030-1、1030-3、1030-5、1030-7、1030-9、1030-11、1030-13和1030-15)，并被配置为发射由第一输入波导传输的光信号。类似地，第二外部光发射器组的每个光发射器(例如，光发射器芯片110G的光发射器110-19、110-23、110-27和110-31)可以光连接到多个第二输入波导的第二输入波导(例如，第二输入波导1030-19、1030-23、1030-27和1030-31)，并且被配置为发射将由第一输入波导传输的光信号。也就是说，每个第二输入波导(例如，第二输入波导1030-19、1030-23、1030-27或1030-31)可以光连接到第二外部光发射器组的光发射器(例如，光发射器芯片110G的光发射器110-19、110-23、110-27或110-31)，并被配置为接收从光发射器发射的光信号并将接收的光信号发送到第二环的节点间波导(例如，节点间波导130-19、130-23、130-27或130-31)。在一些实施例中，第一外部光发射器组的一个或多个光发射器(例如，光发射器芯片110A的光发射器110-1、110-5、110-9和110-13和光发射器芯片110C的光发射器110-3、110-7、110-11和110-15)或第二外部光发射器组的一个或多个光发射器(例如，光发射器芯片110G的光发射器110-19、110-23、110-27或110-31)可以以这种方式用作包括光子神经元件100的神经网络的输入。例如，在图10中所示的波导结构表示完整神经网络的光子神经元件100的情况下，光发射器芯片110C可以用作神经网络的输入。
代替节点内信号线190-1、190-3、190-5、190-7、190-9、190-11、190-13、190-15、190-19、190-23，190-27和190-31中，图10的波导结构代替地包括环之间的节点内信号线1040-19、1040-23、1040-27和1040-31和1040-1、1040-5、1040-9和1040-13。在该示例中，已经完全省略了连接到发送器芯片110C和接收器芯片120C的信号线，以提供如上所述的神经网络的输入和输出的示例。(由于空间有限，图10中仅给出了环之间节点内信号线1040-19、1040-23、1040-27和1040-31的附图标记。注意，按照任意约定，数字后缀–19、-23、-27和-31指的是发射机芯片的环的相应的节点间波导130-19、130-23、130-27和130-31。)每个环之间的节点内信号线(例如，环之间节点内信号线1040-19)可以连接到第一外部光接收器组的光接收器(例如，光接收器120A)和第二外部光发射器组的光发射器(例如，光发射器110G)并且被配置为接收表示由光接收器接收的光信号的功率的电信号，并将电信号发送到光发射器，从而连接光接收器和光发射器以形成神经元的输入和输出。类似地，每个环之间节点内信号线(例如，环之间节点内信号线1040-1)可以连接到第一外部光接收器组的光发射器(例如，光发射器110A)和第二外部光接收器组的光接收器(例如，光接收器120G)，并且被配置为接收表示由光接收器接收的光信号的功率的电信号，并将电信号发送到光发射器，从而连接光接收器和光发射器以形成神经元的输入和输出。换句话说，通过使用环之间的节点内信号线，第一环的光接收器可以连接到第二环的光发射器，第二环的光接收器可以连接到第一环的光发射器。从而形成环间节点，其可以用作连接环的神经元。以这种方式，可以跨任意数量的环组装任意数量的发射器和接收器以缩放光子神经元件100或包括光子神经元件100的神经网络。这种缩放可以包括将环组装成任意数量的更大的、更高阶环或其他结构，它们本身可以组装成更大的更高阶的环或其他结构，等等，以形成超环形或超环。例如，如果图10中所示的两个环被认为是一阶环，则一系列这样的一阶环可以连续地连接在一起，其自身弯曲以形成更大的二阶环。然后，这种二阶环可以以相同的方式连接到其他二阶环，依此类推。例如，如图10所示，可以通过输入和输出波导完成所有这些连接。
图11示出了根据本发明的实施例的用于光子神经元件100的波导架构的实例图。在图11中，第一多个一级环1110连成一排，自身弯曲形成一个较大的二阶环，由包括图的左手侧的八个一级环1110的大环表示。第二多个一级环1110连成类似的一排，其自身弯曲以形成更大的二级环，由包括图的右手侧的八个一级环1110的大环表示。在一阶环1110之间示出了连接(显示为双线)，包括连接两个二阶环的一个示例连接。具有两个连接的每个一阶环1110可以被构造为图10的第一(最左)环，而具有三个连接的每个一阶环1110可以与图10的第一环(最左边)类似地构造，但是另外一对发射器芯片110和接收器芯片120从内部组(包含图10中的芯片110/120 B和D)移动到外部组(包含图10的芯片110/120 A和C)。因此，图11中的每个连接可以包含每个连接的一阶环1110的波导和外部发射器/接收器芯片对，类似于图10中的发射器/接收器芯片110/120 A和G。图11中的的最左侧的突出连接可以用作图11中所示的一对二阶环的输入/输出(类似于图10中的发射器/接收器芯片110/120C和连接的波导)。图11的二阶环可以连接到三阶或更高阶环以缩放光子神经元件100或包括光子神经元件100的神经网络。
在以上描述中，输出波导(例如，1010C-4)、输入波导(例如，1030-3)和环之间的节点内信号线(例如，1040-19)的名称分别与接收波导(例如，170D-3)、发射波导(例如，150-4)和节点内信号线(例如，190-20)的不同。然而，除了它们与第一和第二环的关系之外，输出波导、输入波导和环之间的节点内信号线可以分别被视为接收波导、发射波导和节点内信号线的示例，并且可以具有相同的对应结构。因此，在整个本公开中，接收波导、发射波导和节点内信号线的任何描述可以分别同样适用于输出波导、输入波导和环之间的节点内信号线。
如上所述，节点间波导130-1至130-32可以专用于光发射器。如贯穿本公开所使用的附图标记所示，与每个光发射器芯片的相同定位的光发射器相关联的节点间波导(例如，相同通道的节点间波导)，例如节点间波导130-1、130-2(分别与光发射器芯片110A的光发射器110-1和光发射器芯片110B的光发射器110-2相关联)可以以细间距结构相邻地布置。或者，与差分发射器对(例如，光发射器110-1和110-5)相关联的节点间波导可以以细间距结构相邻地布置。或者，作为另一替代方案，与每个光发射器芯片的所有光发射器(例如，光发射器110-1、110-5、110-9和110-13)相关联的节点间波导可以以细间距结构相邻地布置。利用后两种替代方案，可以减少每个反射镜140A-H和/或反射镜160A-H中的单独反射镜元件的数量。
在图1、3-6、10和11以及整个说明书中，参考光子神经元件100。附图中的术语“光子神经元件”和相应的附图标记“100”可以指贯穿本公开描述的波导结构的任何组件或组件的组合。例如，图1、3-6、10或11的全部、图1、3-6、10或11的一部分、图1、3-6、10或11的变型和/或扩展，或本公开中描述的并且未在附图中具体描绘，包括整个神经网络的波导架构的任何实施例的一部分、变型和/或扩展。光子神经元件100或神经网络还可以包括或连接到一些调节光发射器的发射光信号的功率和/或光接收器的灵敏度的装置，以便调节神经网络的平衡。调整参数可以存储在存储器中。这种装置可以包括，例如，连接到光子神经元件100或神经网络的计算机。这样的计算机可以进一步提供光子神经元件100或神经网络的任何实际功能，例如，运行至少部分地使用神经计算或与神经计算协作的计算机程序，改变滤光器180的权重(包括输出滤光器1020)，改变反射镜160的反射系数，发出从光发射器发射光信号的请求，例如，具有指示功率的初始光信号，监视和读取由光接收器接收的光信号的功率并将值返回到计算机程序等。例如，当指示由光发射器发射具有相同功率的光信号并且对所有滤光器设置相同的权重时，计算机可以检查在所有光接收器处可以测量相同的功率电平，计算机可以相应地进行调整。
从本公开可以理解，光子神经元件100和相关实施例的特征使得可以避免与传统技术相关的缺点。使用本文所示和所述的波导结构，光子神经元件100可以通过光信号传输来支持光子尖峰计算，其中在板(例如印刷电路板)上形成低损耗通孔波导以便彼此交叉。因此，所公开的波导架构可以允许设计灵活性(例如，布局，材料等)，同时提高传统电子方法的速度限制。
虽然已经描述了本发明的实施例，但是本发明的技术范围不限于上述实施例。对于本领域技术人员显而易见的是，可以对上述实施例添加各种改变和改进。从权利要求的范围中还显而易见的是，添加有这种改变或改进的实施例可以包括在本发明的技术范围内。

Claims (25)

1.一种光子神经元件，包括：
多个光发射器；
多个光接收器；
在板上形成的多个节点间波导；
在所述板上形成多个发射波导，使得至少一个发射波导穿过至少一个节点间波导，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层，每个发射波导光连接到所述多个光发射器的光发射器，并被配置为接收所述光发射器发射的光信号，并将所述光信号发射给所述多个节点间波导的节点间波导；
在所述板上形成的多个反射镜，每个反射镜配置成部分地反射在所述多个节点间波导的节点间波导上传播的所述光信号，以产生反射光信号；
在板上形成的多个接收波导，使得至少一个接收波导穿过至少一个节点间波导，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层，每个接收波导光连接到所述多个光接收器的光接收器，并被配置成接收由所述多个反射镜的反射镜产生的所述反射光信号，并将所述反射的光信号传输到所述光接收器；以及
在所述板上形成的多个滤光器，每个滤光器被配置为在由接收所述反射光信号的所述至少一个接收波导将所述反射的光信号传输到所述光接收器之前，对由所述多个反射镜的反射镜产生的反射光信号施加权重。
2.如权利要求1所述的光子神经元件，其中：
所述多个光发射器包括两个或多个光发射器，以发射相同波长的光信号；以及
所述多个节点间波导包括专用于两个或多个光发射器中的每一个的节点间波导。
3.根据权利要求2所述的光子神经元件，其中所述多个滤光器包括中性密度滤光器。
4.根据权利要求1所述的光子神经元件，还包括形成在所述板上的多个组合器，每个组合器被配置为将输入光信号光添加到在所述多个接收波导的接收波导上传播的光信号，其中：
在所述多个接收波导中的每一个上传播的光信号通过所述多个组合器中的组合器作为光添加被光添加到在所述多个接收波导中的另一个上传播的光信号上，同时被传输到所述接收波导连接的所述光接收器，在通过所述多个滤光器的滤光器施加权重之后发生光相加。
5.根据权利要求4所述的光子神经元件，其中所述多个组合器包括至少一个组合器，所述组合器具有通过第一入口臂和出口臂连接到所述多个接收波导的第一接收波导的y形波导结构，所述至少一个组合器被配置为接收在所述多个接收波导的第二接收波导上传播的光信号作为输入光信号，使得所述输入光信号进入y形波导结构的第二入口臂并加入在所述第一接收波导上传播的光信号，其中所述第二入口臂与所述y形波导结构的所述第一入口臂相交。
6.根据权利要求1所述的光子神经元件，其中所述多个滤光器包括可更换的滤光器，所述可更换的滤光器可被更换以改变所述权重。
7.根据权利要求1所述的光子神经元件，其中所述多个滤光器包括可变滤光器，所述可变滤光器的透明度可以改变以改变所述权重。
8.根据权利要求1所述的光子神经元件，还包括安装在所述板上的多个半导体芯片，所述多个半导体芯片中的每一个包括至少一个光发射器或至少一个光接收器。
9.如权利要求8所述的光子神经元件，其中：
所述多个半导体芯片包括光发射器芯片和光接收器芯片，每个光发射器芯片包括所述多个光发射器中的一个或多个，并且每个光接收器芯片包括所述多个光接收器中的一个或多个；以及
所述光发射器芯片包括：第一光发射器芯片，其一个或多个光发射器发射第一波长的第一光信号；以及第二光发射器芯片，其一个或多个光发射器发射第一波长的第二光信号。
10.如权利要求9所述的光子神经元件，其中：
每个所述光发射器芯片包括相同数量的光发射器；
每个所述光接收器芯片包括相同数量的光接收器；
包括在每个所述光发射器芯片中的光发射器的数量与包括在每个所述光接收器芯片中的光接收器的数量相同；以及
通过所述多个发射波导连接到每个所述光发射器芯片的节点间波导的数量与每个所述光发射器芯片中包括的光发射器的数量和每个所述光接收器芯片中包括的光接收器的数量相同。
11.如权利要求8所述的光子神经元件，其中：
所述多个半导体芯片中的每一个被定位使得包括在半导体芯片中的至少一个光发射器或包括在所述半导体芯片中的至少一个光接收器面向板；
所述多个发射波导通过入射镜连接到所述多个光发射器，所述入射镜被配置为将光从垂直于所述板的方向重定向到平行于所述板的方向；以及
所述多个接收波导通过出射镜连接到所述多个光接收器，所述出射镜被配置为将光从平行于所述板的所述方向重定向到垂直于所述板的所述方向。
12.如权利要求8所述的光子神经元件，还包括：
多个节点内信号线，每个节点内信号线连接到所述多个光接收器中的相应光接收器和所述多个光发射器中的相应光发射器，并且被配置为接收表示由所述光接收器接收的光信号的功率的电信号，并将所述电信号发送到所述光发射器，从而连接所述光接收器和所述光发射器以形成神经元的输入和输出。
13.根据权利要求12所述的光子神经元件，其中对于经由节点内信号线连接到光发射器的所述多个光接收器中的每一个，所述多个反射镜包括至少一个反射镜，其反射的光信号被传输到所述光接收器，该接收器的反射系数对于所述光发射器发射的所述光信号的波长基本为零。
14.根据权利要求1所述的光子神经元件，其中所述多个节点间波导，所述多个发射波导和所述多个接收波导由所述板的单层中的聚合物制成。
15.根据权利要求1所述的光子神经元件，其中所述多个光发射器被分成差分对，其中差分对的第一光发射器发射可变光信号，而所述差分对的第二光发射器发射参考光信号。
16.根据权利要求15所述的光子神经元件，还包括安装在所述板上的多个半导体芯片，所述多个半导体芯片中的每一个包括所述差分对中的一个或多个。
17.根据权利要求16所述的光子神经元件，其中所述多个半导体芯片中的每一个包括两个或多个所述差分对。
18.如权利要求1所述的光子神经元件，其中：
所述多个节点间波导包括具有被布置为同心环的两个或多个节点间波导的第一环；
所述多个光发射器包括具有设置在所述第一环内部的两个或多个光发射器的第一内部光发射器组；以及
所述多个光接收器包括具有设置在所述第一环内部的两个或多个光接收器第一内部光接收器组。
19.如权利要求18所述的光子神经元件，其中：
所述多个反射镜包括第一反射镜组，所述第一反射镜组的每个反射镜被配置成部分地反射在所述第一环的节点间波导上传播的光信号，以产生所述反射光信号；以及
所述光子神经元件还包括形成在所述板上的多个第一输出波导，使得至少一个第一输出波导穿过所述第一环的至少一个节点间波导，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或者包层，每个第一输出波导连接到所述第一环的外部，并被配置为接收由所述第一镜组的第一镜产生的所述反射光信号，并将所述反射的光信号传输到所述第一环外部。
20.根据权利要求19所述的光子神经元件，还包括形成在所述板上的第一输出滤光器，所述第一输出滤光器被配置为在通过接收所述反射光信号的所述第一输出波导将所述发射的光信号传输到所述第一环外部之前，将所述权重施加到由所述多个反射镜的所述反射镜产生的所光子神经元件。
21.根据权利要求20所述的光子神经元件，其中，所述多个光接收器包括第一外部光接收器组，所述第一外部光接收器组具有布置在所述第一环外部的两个或多个光接收器，所述第一外部光接收器组的每个所述光接收器连接到所述多个第一输出波导的第一输出波导，并被配置为接收所述第一输出波导发射的所述反射光信号。
22.如权利要求21所述的光子神经元件，其中：
所述多个节点间波导包括具有布置为同心环的两个或多个节点间波导的第二环；
所述多个光发射器包括：具有设置在所述第二环内部的两个或更多个光发射器的第二内部光发射器组，以及具有设置在所述第二环外部的两个或更多个光发射器的第二外部光发射器组；
所述多个光接收器包括具有设置在第二环内部的两个或更多个光接收器的第二光接收器组；
所述光子神经元件还包括形成在所述板上的多个第二输入波导，使得至少一个第二输入波导穿过所述第二环的至少一个节点间波导，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或者包层，每个第二输入波导光连接到所述第二外部光发射器组的光发射器，并配置成接收从所述光发射器发射的光信号，并将所述接收的光信号发送到所述第二环的节点间波导；以及
所述多个节点内信号线包括多个环之间的节点内信号线，每个环之间的节点内信号线连接到所述第一外部光接收器组的光接收器和第所述二外部光发射器光发射器组，并被配置为接收表示所述光接收器接收的光信号功率的电信号，并将所述电信号发送给所述光发射器，从而连接所述光接收器和所述光发射器，以形成神经元的输入和输出。
23.如权利要求18所述的光子神经元件，其中：
所述光子神经元件还包括形成在所述板上的多个第一输入波导，使得至少一个第一输入波导穿过所述第一环的至少一个节点间波导，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导核心或包层，每个第一输入波导连接到所述第一环外部，并配置成从所述第一环外部接收光信号，并将所述光信号发送到所述第一环的节点间波导。
24.如权利要求23所述的光子神经元件，其中，所述多个光发射器包括具有设置在所述第一环外部的两个或多个第一光发射器的第一外部光发射器组，所述第一外部光发射器组的每个所述第一光发射器光连接到所述多个第一输入波导的第一输入波导，并配置成发射将由所述第一输入波导传输的光信号。
25.如权利要求24所述的光子神经元件，其中：
所述多个节点间波导包括被布置为同心环的具有两个或多个节点间波导的第二环；
所述多个光发射器包括具有设置在所述第二环内部的两个或多个光发射器的第二内部光发射器组；
所述多个光接收器包括：具有设置在所述第二环内部的两个或多个光接收器的第二光接收器组，以及具有设置在所述第二环外部的两个或更多个光接收器的第二外光接收器组；
所述多个反射镜包括第二反射镜组，所述第二反射镜组的每个反射镜被配置成部分地反射在所述第二环的节点间波导上传播的光信号，以产生所述第二环的反射光信号；
所述光子神经元件还包括形成在所述板上的多个第二输出波导，使得至少一个第二输出波导穿过所述第二环的至少一个节点间波导，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层，每个第二输出波导光连接到所述第二外部光接收器组的光接收器，并配置成接收由所述第二镜组的反射镜产生的所述第二环的所述反射光信号，并将所述第二个环的所述反射的光信号传输到所述光接收器；以及
所述多个节点内信号线包括多个环之间的节点内信号线，每个环之间的节点内信号线连接到所述第一外部光接收器组的光发射器和所述第二外部光接收器组的光接收器，并被配置为接收表示所述光接收器接收的光信号的功率的电信号，并将所述电信号发送给所述光发射器，从而连接所述光接收器和所述光发射器以形成神经元的输入和输出。
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