CN110703851B - 一种基于模式复用的光学矩阵向量乘法器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于模式复用的光学矩阵向量乘法器，包括相连的第一复用器、多模功分器和第二复用器；第一复用器包括同数量第一复用器用弯曲波导和第一复用器用直波导，第一复用器用直波导同轴且宽度依次增大，宽度最大第一复用器用直波导连多模功分器中的多模干涉耦合区；第一复用器用弯曲波导通过微环与第一复用器用直波导耦合；多模干涉耦合区连接宽度最大第一复用器用直波导和多根多模功分器用直波导一端；第二复用器由与第一复用器用弯曲波导同数量的输出端机构构成；输出端机构中各弯曲波导与第一调制区中各直波导通过定向耦合器耦合，成解复用器。该向量乘法器可实现高速大容量信息处理，可靠实现乘法器功能，降低制作成本。

Description

一种基于模式复用的光学矩阵向量乘法器
技术领域
本发明属于光信息处理技术领域，涉及一种基于模式复用的光学矩阵向量乘法器。
背景技术
随着新型的互联网数据业务如视频通话、无人驾驶、超级计算机等技术的涌现，现代社会中人们对于信息传递的速度和容量提出了前所未有的高要求。然而传统的信息技术主要是基于ARM架构的电子信息处理方式，为了满足这种高速、大容量的信息处理，人们在同一个CPU上集成的核心数越来越多，单个核心上集成的晶体管数越来越多，晶体管尺寸越来越小。但是由此带来的片上金属互连以及功耗和散热问题也变得越来越棘手，摩尔定律的延续也遇到了困难。因此，越来越多的研究者都把研究目光投向了光，并以此来完成相关的信息处理、包括光计算等一系列重要的操作。用光代替电实现各种运算和信息的传递能大幅度的提升器件的工作速度，由光纤与各种光学元件构成的集成光路，可以大大提高对数据运算和传输的能力。光学矩阵向量乘法器是光学信息处理中重要的基本器件，利用光的并行运算的特点，在输出端同时输出多个计算结果，一方面可以大大降低信息传输的延时，几何倍数式的提升器件的工作速度；另一方面也增加了信息传输的容量，为将来高速、大容量的光互连的实现奠定了基础。
光学矩阵向量乘法器因其特有的高速度、低延迟以及并行计算等特点，正成为相关领域研究者关注的热点，在数字图像处理、雷达信号处理和相干光通信等现代数字处理领域有着重要应用，为将来构建全光计算、高速大容量光学互连网络搭起了桥梁作用。早在1982年，斯坦福大学的Ravindra A. Athal等人首先在著名期刊AppliedOptics上发表了文章“Optical matrix-matrix multiplier based on outer product decomposition”(AppliedOptics, Vol. 21, No.12,1982)。由于是首次提出光学矩阵乘法器的概念，Ravindra A. Athal等人利用空间光学的方式实现了光的矩阵相乘运算。此后，中国科学院半导体研究所的杨林教授等人利用波分复用技术实现了能够光学矩阵向量乘法器，并发表论文“On-chip optical matrix-vector multiplier”(Proc. of SPIE, Vol. 8855,88550F (2013))等等。该器件是基于SOI材料上实现的，能有效的结合成熟的CMOS工艺将多个波导结构集成到一个光子芯片上，输出光再通过光-电转换的形式，在输出端得到目标的操作波形，其每个通道的工作速度达到20Mb/s。此外近几年里，也有很多研究人员陆陆续续地报道利用波分复用的方式来实现光学矩阵向量乘法器。但是，基于波分复用的光学矩阵向量乘法器由于在工作的同时需要多个激光波长，因此就需要多个激光光源，成本较高；再者，由于可利用的C波段的波长范围有限，微环谐振器的通道带宽和FSR都不可能做到绝对理想化，造成波分复用可利用的通道也因此受限，波分复用技术也正遇到瓶颈。为了解决这一问题，人们提出了一种新的光信号复用方式，即模式复用。所谓模式复用技术，就是将光的不同模态复用到一根多模光纤或多模波导上传输，并在接收端将不同的模态解复用成相应的信号的技术。相比于波分复用技术，模式复用技术从根本上解决了片上激光器不够用的问题，极大降低了制作成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于模式复用的光学矩阵向量乘法器，通过在多模波导中复用光的多个模式这一原理，可以同时并行多个运算并同时输出，极大降低了大规模光互连系统中信号传递的延迟时间，降低了大规模集成光路器件制作的成本，为集成系统中信号的高速度传输提供了可靠性的保障。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是一种基于模式复用的光学矩阵向量乘法器，包括依次相连接的第一复用器、多模功分器和第二复用器；
所述的第一复用器包括多根第一复用器用弯曲波导和同轴依次设置的数量与第一复用器用弯曲波导数量相同的多根第一复用器用直波导，相邻两根第一复用器用直波导通过绝热锥相连，依次设置的第一复用器用直波导的宽度依次递增，一根第一复用器用弯曲波导通过一个第一复用器用微环与一根第一复用器用直波导耦合；所有的第一复用器用弯曲波导均不相交；所有第一复用器用弯曲波导的宽度与宽度最小的第一复用器用直波导的宽度相同，宽度最大的第一复用器用直波导的另一端与多模功分器相连；
所述的多模功分器包括多模干涉耦合区，该多模干涉耦合区与多模功分器用直波导Ⅰ的一端相连，Ⅱ该多模功分器用直波导Ⅰ的另一端与宽度最大的第一复用器用直波导的另一端相连。多模干涉耦合区还与并排设置的多根多模功分器用直波导Ⅱ的一端相连，多模功分器用直波导Ⅱ的数量与第一复用器用弯曲波导的数量相同，多根多模功分器用直波导Ⅱ的另一端与第二复用器相连；
所述的第二复用器包括并排设置的数量与多模功分器用直波导Ⅱ的数量相同的多个输出端机构；该输出端结构包括第一调制区、第二调制区和多个第二复用器用弯曲波导，第二复用器用弯曲波导的数量与多模功分器用直波导Ⅱ的数量相同；第一调制区包括同轴依次设置的数量与第二复用器用弯曲波导数量相同的多根第二复用器用直波导Ⅰ，相邻第二复用器用直波导Ⅰ之间通过绝热锥相连，依次设置的多根第二复用器用直波导Ⅰ的宽度依次递减，一个第一调制区中宽度最大的第二复用器用直波导Ⅰ的另一端与一根多模功分器用直波导Ⅱ的另一端相连；第二调制区包括同轴依次设置的数量与第二复用器用弯曲波导数量相同的多根第二复用器用直波导Ⅱ，相邻第二复用器用直波导Ⅱ之间通过绝热锥相连，依次设置的根第二复用器用直波导Ⅱ的宽度依次递减；宽度最小的第二复用器用直波导Ⅰ与宽度最小的第二复用器用直波导Ⅱ相对设置；一根第二复用器用弯曲波导的一端通过一个第二复用器用微环与一根第二复用器用直波导Ⅱ耦合，通过第二复用器用微环与宽度最小的第二复用器用直波导Ⅱ耦合的第二复用器用弯曲波导的另一端与宽度最小的第二复用器用直波导Ⅰ的另一端相连，其余第二复用器用弯曲波导的另一端分别与其余第二复用器用直波导Ⅰ耦合；所有第二复用器用弯曲波导均不相交。
本发明基于模式复用的光学矩阵向量乘法器具有如下优点：
1、利用了光的高速度高频率的特性，可以实现高速大容量的信息处理；利用了SOI材料兼容成熟的CMOS工艺技术，使得器件的集成度高、体积小，功耗低，扩展性好，便于与电学元件集成，大幅度的降低了器件制作成本，未来在光电混合集成的大规模系统中将发挥重要的作用。
2、基于模式复用的光学矩阵向量乘法器的结构中每个基于微环谐振器的光开关都是独立的，且所有的开关都是同时并行工作，这就意味着每个开关的延时并不会积累，而且最终的结果是以光束的形式在光学输出端并行输出，故整个器件的处理速度相对于电学器件而言要快很多。
3、基于模式复用的光学矩阵向量乘法器既能在输出端并行输出对应的矩阵向量乘法操作，又能解决基于波分复用的器件中的需要多个激光器的问题，不但可以可靠的实现乘法器的功能，还能降低制作成本。因此未来在光信息处理中有很好的应用前景。
4、可以实现M×N的矩阵与N×1向量的相乘，乘积结果为M×1的向量的形式。
为了简单的说明本发明光学矩阵向量乘法器的工作原理，以下涉及实施例的内容都是以4×4的矩阵与4×1向量相乘的计算为例进行详细说明。
附图说明
图1是本发明光学矩阵向量乘法器一种实施例的结构示意图。
图2是图1所示实施例中第一复用器的结构示意图。
图3是图1所示实施例中多模功分器的结构示意图。
图4是图1所示实施例中第二复用器的结构示意图。
图5是图1所示实施例的第二复用器中一个输出端机构的示意图。
图6是本发明光学矩阵向量乘法器的原理图。
图7是以硅基热光调制为例，微环谐振器的波谱响应图。
图8是硅基热光调制的微环谐振器或直波导的横截面结构示意图。
图9是硅基电光调制的微环谐振器或直波导的横截面结构示意图。
1.第一复用器，2.多模功分器，3.第二复用器，1-1.第一弯曲波导，1-2.第二弯曲波导，1-3.第三弯曲波导，1-4.第四弯曲波导，1-5.第一直波导，1-6.第二直波导，1-7.第三直波导，1-8.第四直波导，2-1.第五直波导，2-2.多模干涉耦合区，2-3.第六直波导，2-4.第七直波导，2-5.第八直波导，2-6.第九直波导，31.第一输出端机构，32.第二输出端机构，33.第三输出端机构，34.第四输出端机构，31-1第五弯曲波导，31-2第六弯曲波导，31-3第七弯曲波导，31-4第八弯曲波导，3-5第七直波导，3-6第八直波导，3-7第九直波导，3-8第十直波导，3-9第十一直波导，3-10第十二直波导，3-11第十三直波导，3-12第十四直波导。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明光学矩阵向量乘法器一种实施例，包括依次相连接的第一复用器1、多模功分器2和第二复用器3。
图1所示的实施例中多模功分器2采用1×4多模功分器。
如图2所示，本发明光学矩阵向量乘法器一种实施例中的第一复用器1，包括第一弯曲波导1-1、第二弯曲波导1-2、第三弯曲波导1-3、第四弯曲波导1-4以及依次同轴依次设置的第一直波导1-5、第二直波导1-6、第三直波导1-7和第四直波导1-8，相邻两根直波导通过绝热锥（Adiabatic Taper）相连；第四直波导1-8与多模功分器2相连；第一直波导1-5的宽度小于第二直波导1-6的宽度，第二直波导1-6的宽度小于第三直波导1-7的宽度，第三直波导1-7的宽度小于第四直波导1-8的宽度；第一弯曲波导1-1与第一直波导1-5通过微环b1耦合，第二弯曲波导1-2与第二直波导1-6通过微环b2耦合，第三弯曲波导1-3与第三直波导1-7通过微环b3耦合，第四弯曲波导1-4与第四直波导1-8通过微环b4耦合；
第一弯曲波导1-1的宽度、第二弯曲波导1-2的宽度、第三弯曲波导1-3的宽度、第四弯曲波导1-4的宽度和第一直波导1-5的宽度相同。
本发明光学矩阵向量乘法器中的第一复用器1，包括多根第一复用器用弯曲波导和同轴依次设置的数量与第一复用器用弯曲波导数量相同的多根第一复用器用直波导，相邻两根第一复用器用直波导通过绝热锥相连，依次设置的第一复用器用直波导的宽度依次递增，一根第一复用器用弯曲波导通过一个第一复用器用微环与一根第一复用器用直波导耦合；所有的第一复用器用弯曲波导均不相交；所有第一复用器用弯曲波导的宽度与宽度最小的第一复用器用直波导的宽度相同，宽度最大的第一复用器用直波导的另一端与多模功分器2相连。
如图3所示，本发明光学矩阵向量乘法器一种实施例中的多模功分器2，包括多模干涉耦合区2-2，多模干涉耦合区2-2与第五直波导2-1的一端相连，第五直波导2-1的另一端接第四直波导1-8的另一端；多模干涉耦合区2-2还与第六直波导2-3的一端、第七直波导2-4的一端、第八直波导2-5的一端和第九直波导2-6的一端相连，第六直波导2-3的另一端、第七直波导2-4的另一端、第八直波导2-5的另一端和第九直波导2-6的另一端均与第二复用器3相连。
本发明光学矩阵向量乘法器中的多模功分器2，包括多模干涉耦合区，该多模干涉耦合区与多模功分器用直波导Ⅰ的一端相连，Ⅱ该多模功分器用直波导Ⅰ的另一端与宽度最大的第一复用器用直波导的另一端相连。多模干涉耦合区还与并排设置的多根多模功分器用直波导Ⅱ的一端相连，多模功分器用直波导Ⅱ的数量与第一复用器用弯曲波导的数量相同，多根多模功分器用直波导Ⅱ的另一端与第二复用器3相连。
如图4所示，本发明光学矩阵向量乘法器一种实施例中的第二复用器3，由并排设置的第一输出端机构31、第二输出端机构32、第三输出端机构33和第四输出端机构34构成，第一输出端机构31的结构、第二输出端机构32的结构、第三输出端机构33的结构和第四输出端机构34的结构完全相同。
下面以第一输出端机构31为例进行说明。如图5所示，第一输出端机构31包括第五弯曲波导31-1、第六弯曲波导31-2、第七弯曲波导31-3、第八弯曲波导31-4、第一调制区和第二调制区。第一调制区包括同轴依次设置的第七直波导31-5、第八直波导31-6、第九直波导31-7和第十直波导31-8组成，相邻直波导通过绝热锥相连；第二调制区包括同轴依次设置的第十一直波导31-9、第十二直波导31-10、第十三直波导31-11和第十四直波导31-12组成，相邻直波导通过绝热锥相连。第十直波导31-8与第十一直波导31-9相对设置。
第五弯曲波导31-1的一端通过微环a14与第十四直波导31-12耦合，第六弯曲波导31-2的一端通过微环a13与第十三直波导31-11耦合，第七弯曲波导31-3通过微环a12与第十二直波导31-10耦合，第八弯曲波导31-4通过微环a11与第十直波导31-9耦合；第五弯曲波导31-1的另一端通过第一定向耦合器与第七直波导31-5耦合，第六弯曲波导31-2的另一端通过第二定向耦合器与第八直波导31-6耦合，第七弯曲波导31-3的另一端通过第三定向耦合器与第九直波导31-7耦合；第八弯曲波导31-4的另一端与第十直波导31-8的另一端相连。第七直波导31-5的另一端接第六直波导2-3的另一端。
第五弯曲波导31-1的宽度、第六弯曲波导31-2的宽度、第七弯曲波导31-3的宽度、第八弯曲波导31-4的宽度、第十直波导31-8的宽度和第十一直波导3-19的宽度相同。
第七直波导31-5的宽度大于第八直波导31-6的宽度，第八直波导31-6的宽度大于第九直波导31-7的宽度，第九直波导31-7的宽度大于第十直波导31-8的宽度。
第十四直波导31-12的宽度大于第十三直波导31-11的宽度，第十三直波导31-11的宽度大于第十二直波导31-10的宽度，第十二直波导31-10的宽度大于第十一直波导31-9的宽度。
第二输出端机构32中的第七直波导31-5的另一端接第七直波导2-4的另一端；第三输出端机构33中的第七直波导31-5的另一端接第八直波导2-5的另一端，第四输出端机构34中的第七直波导31-5的另一端接第九直波导2-6的另一端。
本发明光学矩阵向量乘法器中的第二复用器3，包括并排设置的数量与多模功分器用直波导Ⅱ的数量相同的多个输出端机构；该输出端结构包括第一调制区、第二调制区和多个第二复用器用弯曲波导，第二复用器用弯曲波导的数量与多模功分器用直波导Ⅱ的数量相同；第一调制区包括同轴依次设置的数量与第二复用器用弯曲波导数量相同的多根第二复用器用直波导Ⅰ，相邻第二复用器用直波导Ⅰ之间通过绝热锥相连，依次设置的多根第二复用器用直波导Ⅰ的宽度依次递减，一个第一调制区中宽度最大的第二复用器用直波导Ⅰ的另一端与一根多模功分器用直波导Ⅱ的另一端相连；第二调制区包括同轴依次设置的数量与第二复用器用弯曲波导数量相同的多根第二复用器用直波导Ⅱ，相邻第二复用器用直波导Ⅱ之间通过绝热锥相连，依次设置的根第二复用器用直波导Ⅱ的宽度依次递减；宽度最小的第二复用器用直波导Ⅰ与宽度最小的第二复用器用直波导Ⅱ相对设置；一根第二复用器用弯曲波导的一端通过一个第二复用器用微环与一根第二复用器用直波导Ⅱ耦合，通过第二复用器用微环与宽度最小的第二复用器用直波导Ⅱ耦合的第二复用器用弯曲波导的另一端与宽度最小的第二复用器用直波导Ⅰ的另一端相连，其余第二复用器用弯曲波导的另一端分别与其余第二复用器用直波导Ⅰ耦合；所有第二复用器用弯曲波导均不相交。
第一复用器1中相邻两个微环之间、第二复用器3中相邻两个微环之间都有可阻止该两个微环间产生热串扰的间隔或绝缘物。
各输出端机构中的各弯曲波导与第一调制区中的各直波导通过定向耦合器直接耦合，构成解复用器。
本发明光学矩阵向量乘法器基本工作原理图，如图6所示，在输入端同时输入n路基模信号（这里以n=4为例，图2中的4个输入端口上的I1、I2、I3、I4即为同时输入的4路基模信号），图2中的4个微环分别都加载了参与乘法运算的动态电学脉冲信号，输入的4路基模信号经过第一复用器1中微环的调制作用后，转变为携带有待运算的动态操作信号的光，携带有动态操作信号的光都会被耦合进入直波导，并复用到主通道第四直波导1-8上传输。经过多模功分器2的分束作用后（这里分4路），每一路都包含多个模式。每条路径上的多模信号会被解复用到对应的波导中，并被第二复用器3中的微环再次调制，完成信号数的逻辑相乘操作。最后再复用到每一路的输出波导中输出，因此，最终能同时得到4路输出信号，并行完成逻辑相乘的操作，即完成了矩阵和向量的相乘操作。
输入到第一弯曲波导1-1、第二弯曲波导1-2、第三弯曲波导1-3和第四弯曲波导1-4的模式都为基模TE0。第一弯曲波导1-1中的TE0模式和第一直波导1-5所支持的TE0模满足折射率匹配条件，因此TE0模式被耦合下载至第一直波导1-5里，并继续往前传播。此外，第二弯曲波导1-2里的TE0模式和第二直波导1-6所支持的TE1模式满足折射率匹配条件，因此TE0模被耦合下载至第二直波导1-6里并被转化为TE1模，并继续传播；同理，第三弯曲波导1-3中的基模会被耦合到第三直波导1-7中，并被转化为TE2模继续往前传输。因此经过数次耦合之后，进入到第四直波导1-8中的光同时包含TE0模、TE1模、TE2模和TE3模。输入到多模功分器2的TE0模、TE1模、TE2模和TE3模将会被同时均分为4路信号，每一路同时包含TE0模、TE1模、TE2模和TE3模这四个模式。类似的，利用模式耦合的折射率匹配原理，在每个第二复用器3的前半部分，多模信号会被解复用到相应的通道中。因此最终在每个输出端机构的第十四直波导31-12里面传输的都同时包含TE0模、TE1模、TE2模和TE3模。
每组直波导和弯曲波导之间耦合的微环都是一个光开关单元。且微环与不同宽度直波导的耦合间距都不一样，以满足各自的最佳耦合条件。其采取改变微环谐振状态的方式则是改变加载在微环上的偏置电压。如图7所示，表示以热光调制为例，微环常见的两种调制光谱，bar/cross状态（图7中的(a)）和cross/bar状态（图7中的(b)），分别是加载高电压后光信号直通与加载高电压后光信号受阻状态。假设工作波长选取在λ0，那么对于图7(a)，若微环的初始谐振波长在λ0处，则光信号会谐振至微环内部，无法直通处于bar状态；施加一定偏置电压△V之后微环的谐振谱发生红移，偏至λ0+△λ处，此时微环不发生谐振作用，光信号可以直通处于cross状态；而对于图7(b)则刚好相反，不施加偏置电压时光信号直通处于cross状态，施加偏置电压△V后光信号不能直通，处于bar状态。通过施加电信号对各个微环MRR进行调制，调制方式包括通过产生热量或者改变材料中的载流子浓度来改变微环谐振器的环形波导的群折射率从而改变微环MRR的谐振波长，因此在图2中，经过微环下载的光就携带了各个驱动电压的动态信号b1、b2、b3、b4，其中bi（1≤i≤4）表示加载在微环上的动态电压信号，称为向量B=[b 1 b 2 b 3 b 4] T （其中符号T表示转置）将直接参与乘法操作，本发明光学矩阵向量乘法器中输入的是动态电信号，输出的是动态光信号，输出的光信号可通过光电转换的形式变成电信号，直接参与后续的其他逻辑运算。
对于基于模式复用的光学矩阵向量乘法器一种实施例的输出结构而言，其包含4个相同的输出端机构，每个输出端机构里面包含4个微环谐振器（微环），微环可以通过热调或者电调的形式来实现调谐作用。加载在第一路4个微环上的电压的动态操作信号分别是a11、a12、a13、a14，加载在第二路4个微环上的电压的动态操作信号分别是a21、a22、a23、a24，加载在第三路4个微环上的电压的动态操作信号分别是a31、a32、a33、a34，加载在第四路4个微环上的电压的动态操作信号分别是a41、a42、a43、a44。因此，第二复用器3产生的逻辑信号A可以用矩阵来表示：
Figure 34954DEST_PATH_IMAGE001
所以，在输出端Y1输出的光信号就携带了矩阵A与向量B相乘的运算结果：Y 1=a 11 b 1+a 12 b 2+a 13 b 3+a 14 b 4；同理，可以得到Y 2=a 21 b 1+a 22 b 2+a 23 b 3+a 24 b 4，Y 3=a 31 b 1+a 32 b 2+a 33 b 3+a 34 b 4，Y 4=a 41 b 1+a 42 b 2+a 43 b 3+a 44 b 4。即总的输出端得到矩阵向量相乘的运算结果
Figure 748832DEST_PATH_IMAGE002
。
依次相连接的直波导之间通过足够长的绝热锥（Adiabatic Taper）连接，绝热锥（Adiabatic Taper）的宽度从宽度较窄直波导的宽度线性渐变为宽度较宽直波导的宽度，并且绝热锥（Adiabatic Taper）足够长，这样绝热锥（Adiabatic Taper）波导侧边的扩展慢于光模式的衍射扩展，因此能确保基模在通过时不发生模式转换，减少了模式之间的串扰。
本发明向量乘法器中的微环MRR结构，也可以采用SOI、SIN、Ⅲ-Ⅴ族材料实现。本发明优化的方案是基于SOI材料实现的，其突出的优点是；工艺利用现成的CMOS工艺技术，使得器件体积小，功耗低，扩展性好，便于与电学元件集成。
本发明的性能优点与它所采用的材料属性及器件的结构关系密切。
在材料方面：本发明向量乘法器采用的是绝缘衬底上的硅（Silicon-On-Insulator，SOI）材料。SOI 是指在SiO2绝缘层上生长一层具有一定厚度的单晶硅薄膜，其工艺与现在微电子领域广泛应用的CMOS工艺是兼容的。利用SOI材料制成的硅波导，其芯层是Si（折射率为3.45），包层是SiO2（折射率为1.44），这样包层和芯层的折射率差很大，所以该波导对光场的限制能力很强使得其弯曲半径可以很小。
本发明向量乘法器的调谐电极可以为热调制机构或电调制机构。硅基热光调制的微环谐振器或直波导的横截面结构如图8所示，包括衬底Si，衬底Si上设有SiO2层，SiO2层上设有Si波导芯区和调谐电极，电极材料可以是TiN等高阻发热材料，波导和调谐电极周围均包围着SiO2。Si波导芯区的宽度为W，Si波导芯区的高度为H；Si波导芯区顶面与调谐电极底面之间的距离为dSiO2。工作时对调谐电极施加一定电压，由于电流热效应会使得电极材料迅速发热，产生的热通过传导的形式加热Si波导，从而改变波导的有效折射率，达到调制的效果。
硅基电光调制的微环谐振器或直波导的横截面结构如图9所示。在脊型波导两侧进行掺杂，分别形成P+区和N+区，中间未掺杂部分为本征硅材料。工作时通过施加一定电压，在电场的作用下会发生载流子的迁移作用，两侧的电子和空穴注入到中间本征硅区域，从而可以迅速的改变波导的有效折射率。
本发明的带热调制机构或电调制机构的MRR，在信号传输速率（M量级以下）要求不高的情况下可以采用热调制，在高速（G量级）传输系统需要采用电调制。
本发明基于模式复用的光学矩阵向量乘法器具有良好的可扩展性，只需要相应地增加模式复用/解复用器中输入的基模的数量和多模功分器的分光比，即可将4×1光学矩阵向量乘法器的功能扩展为M×1的光学矩阵向量乘法器：实现在输入端同时输入N个TE0模，经过M×N的微环调制矩阵后，在输出端得到M×1阶的矩阵向量乘法运算。
本发明中，待运算的电信号序列（加在微环上的电信号）在时间上需要精确同步。在高速工作模式下，需要对电极进行特殊的设计及电磁兼容方面的分析与模拟。

Claims (4)

1.一种基于模式复用的光学矩阵向量乘法器，其特征在于，包括依次相连接的第一复用器（1）、多模功分器（2）和第二复用器（3）；
所述的第一复用器（1）包括多根第一复用器用弯曲波导和同轴依次设置的数量与第一复用器用弯曲波导数量相同的多根第一复用器用直波导，相邻两根第一复用器用直波导通过绝热锥相连，依次设置的第一复用器用直波导的宽度依次递增，一根第一复用器用弯曲波导通过一个第一复用器用微环与一根第一复用器用直波导耦合；所有的第一复用器用弯曲波导均不相交；所有第一复用器用弯曲波导的宽度与宽度最小的第一复用器用直波导的宽度相同，宽度最大的第一复用器用直波导的另一端与多模功分器（2）相连；
所述的多模功分器（2）包括多模干涉耦合区，该多模干涉耦合区与多模功分器用直波导Ⅰ的一端相连，该多模功分器用直波导Ⅰ的另一端与宽度最大的第一复用器用直波导的另一端相连；多模干涉耦合区还与并排设置的多根多模功分器用直波导Ⅱ的一端相连，多模功分器用直波导Ⅱ的数量与第一复用器用弯曲波导的数量相同，多根多模功分器用直波导Ⅱ的另一端与第二复用器（3）相连；
所述的第二复用器（3）包括并排设置的数量与多模功分器用直波导Ⅱ的数量相同的多个输出端机构；该输出端结构包括第一调制区、第二调制区和多个第二复用器用弯曲波导，第二复用器用弯曲波导的数量与多模功分器用直波导Ⅱ的数量相同；第一调制区包括同轴依次设置的数量与第二复用器用弯曲波导数量相同的多根第二复用器用直波导Ⅰ，相邻第二复用器用直波导Ⅰ之间通过绝热锥相连，依次设置的多根第二复用器用直波导Ⅰ的宽度依次递减，一个第一调制区中宽度最大的第二复用器用直波导Ⅰ的另一端与一根多模功分器用直波导Ⅱ的另一端相连；第二调制区包括同轴依次设置的数量与第二复用器用弯曲波导数量相同的多根第二复用器用直波导Ⅱ，相邻第二复用器用直波导Ⅱ之间通过绝热锥相连，依次设置的多 根第二复用器用直波导Ⅱ的宽度依次递减；宽度最小的第二复用器用直波导Ⅰ与宽度最小的第二复用器用直波导Ⅱ相对设置；一根第二复用器用弯曲波导的一端通过一个第二复用器用微环与一根第二复用器用直波导Ⅱ耦合，通过第二复用器用微环与宽度最小的第二复用器用直波导Ⅱ耦合的第二复用器用弯曲波导的另一端与宽度最小的第二复用器用直波导Ⅰ的另一端相连，其余第二复用器用弯曲波导的另一端分别与其余第二复用器用直波导Ⅰ耦合；所有第二复用器用弯曲波导均不相交。
2.如权利要求1所述的基于模式复用的光学矩阵向量乘法器，其特征在于，各输出端机构中的各弯曲波导与第一调制区中的各直波导通过定向耦合器直接耦合，构成解复用器。
3.如权利要求1所述的基于模式复用的光学矩阵向量乘法器，其特征在于，相邻两个微环间有可阻止该两个微环间产生热串扰的间隔或绝缘物。
4.如权利要求1或3所述的基于模式复用的光学矩阵向量乘法器，其特征在于，每个微环都是一个光开关单元，且微环与直波导的耦合间距都不一样，以满足各自的最佳耦合条件。
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