CN111561953A - 基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器 - Google Patents

基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器，属于集成光电信息处理技术领域。包括输入矢量编码区和一组并行的光学矢量‑矢量乘法单元组；组成光学矢量‑矢量乘法单元组的光学矢量‑矢量乘法单元包括滤波器阵列、权重编码器阵列、波分复用区和输出平衡探测区；应用于本发明片上集成光学矩阵矢量乘法器的执行装置包括光源信号、数模转换器和模数转换器。本发明采用波分复用技术与高并行化程度的架构，使其具有较高的数据传输带宽与较低的延迟；采用非谐振型器件作为权重编码器的实现方式显著降低了编码的复杂度；采用平衡探测法可提高对微弱信号的探测灵敏度，并使本发明具有实现负权重值的调节能力。

Description

基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器
技术领域
本发明涉及一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器，属于集成光电信息处理技术领域。
背景技术
在高速发展的信息化时代，云计算、物联网技术、大数据分析等各类信息技术的快速发展，对高性能计算的硬件平台提出了较高的要求。目前，信息处理技术的执行平台主要基于电子芯片，然而随着摩尔定律发展进程的变缓，集成电子芯片面临的发展瓶颈也逐渐显露，如晶体管尺寸不断缩小带来的热失控问题，将使得电子芯片性能的进一步提升受到限制；另一方面，通过增加处理器数量来提高计算吞吐量的方法，也由于系统中并行计算程序所占的比例有限而使加速比的提升受限。在这样的背景下，光计算的研究逐渐成为一个新的热点，其中的光学矩阵矢量乘法器充分利用了光固有的并行处理能力，并且在诸多计算任务中发挥着优越的性能，受到越来越多研究者的关注。光学矩阵矢量乘法器最早由J.W.Goodman等人利用自由空间光的衍射实现(参见J.W.Goodman,A.R.Dias,andL.M.Woody,"Fully parallel,high-speed incoherent optical method for performingdiscrete Fourier transforms,"Opt.Lett.2,1-3(1978))，该团队提出的光学矩阵矢量乘法器中的输入矢量由线阵光源的强度分布编码，线阵光源发出的光经过柱面透镜扇出后，照射在空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)的相应像素点上，SLM对其各个像素的透射率进行调制完成矩阵元素的编码，将SLM上的光场分布再由另一柱面透镜扇入到探测器阵列上完成矩阵矢量乘法运算结果的采集。基于空间光调制的光学矩阵矢量乘法器的计算速度与矩阵大小无关，因而在面临较大维度的矩阵矢量乘法运算时具有一定的优势。然而，受限于SLM的像素数以及SLM加载矩阵调制信息的速率上限，基于空间光调制的光学矩阵矢量乘法器的性能提升也存在一定的限制。相比于自由空间光中实现的光学矩阵矢量乘法器，基于硅基光电子技术的片上集成光子芯片，不但同样可实现高并行化程度的计算架构，而且具有更高的集成度与更低的延迟时间，同时其与CMOS工艺相兼容，便于与现有的电子硬件实现光电混合集成，结合光与电在信息处理中各自具备的优势，将有望为特定计算问题提供一种更高性能的专用处理器。
在神经网络、图像处理、时间序列数据处理、储备池计算等涉及到大量矩阵线性计算的问题上，相比通用电子芯片，专用的光子处理器可以用更低的延迟与能耗完成相同的计算量。片上集成光学矩阵矢量乘法器就是面向这类问题的一种解决方案：线性变换的过程以光速传输、并行处理，且目前可实现的片上光电探测器的带宽可达到GHz量级，这些特点将显著降低系统的总延迟；除系统中主动调制消耗的电能和输入光源的功耗，片上集成光学矩阵矢量乘法器不需要消耗其它额外能量，就可以被动地完成所有线性模拟计算过程，使得该类光学矩阵矢量乘法器具有较高的能量效率。然而，在一定的芯片尺寸下，片上集成光学矩阵矢量乘法器信息处理容量的提升还存在一定的限制。若将波分复用技术应用于片上集成光学矩阵矢量乘法器，则可显著提高片上集成光学矩阵矢量乘法器的数据传输带宽。
另外，片上集成光学矩阵矢量乘法器输出结果的探测与采集是完成计算任务的一个关键步骤。由于组成光电探测器材料的晶格缺陷和热噪声的影响，会导致光电探测器产生暗电流；另一方面，激光器光源具有本征的相对强度噪声。因此直接将光信号处理的结果输入到单个光电探测器中，将会降低信噪比以及对微弱信号探测的灵敏度。此外，在光学模拟信号处理过程中，一般很难通过光学手段直接获取负值信息，若利用平衡探测器则可以较好地减小暗电流与相对强度噪声对输出信号的不利影响，并使得光学矩阵矢量乘法器能够从实验上直接获得负值信息。
发明内容
本发明的目的是为解决如何使片上集成光学矩阵矢量乘法器具备实验上直接获得负值权重矩阵元素的调节能力、降低其权重矩阵编码的复杂度、提升其信息处理容量以及减小暗电流与相对强度噪声对输出信号不利影响的技术问题。
为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器，包括输入矢量编码区和一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组；所述输入矢量编码区设有多个不同的波长通道；所述一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组包括一系列工作原理相同的光学矢量-矢量乘法单元，每个该类型的单元均包括滤波器阵列、权重编码器阵列、波分复用区和输出平衡探测区；所述滤波器阵列的输入端与所述输入矢量编码区的输出端相连；所述权重编码器阵列的输入端与滤波器阵列的输出端相连；所述对所有波长通道的信号进行汇总与收集的波分复用区与所述输出平衡探测区连接，输出平衡探测区接收波分复用区收集的光信号并将其转化为电信号，从而进行数据采集与处理。
优选地，所述片上集成光学矩阵矢量乘法器中设有的不同波长通道的交叉处设有用于提高片上集成光学矩阵矢量乘法器的集成度的光互连用波导。
本发明还提供一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器的执行装置，还包括光源信号、数模转换器和模数转换器；所述光源信号为各波长通道提供不同波长的输入光信号；所述数模转换器用以将计算机产生的数字信号转换为模拟电信号加载到需要调制的器件上；所述模数转换器用以将各光学矢量-矢量乘法单元中所述输出平衡探测区输出的模拟电压信号转换为数字信号进行实时同步读取；所述模数转换器采集得到的数据由计算机存储与处理。
优选地，所述输入矢量编码区包括强度调制器阵列和功率分配器；所述强度调制器阵列中设有的强度调制器的数目设为与波长通道数相同；所述的每个波长通道设有一个强度调制器；强度调制器阵列的输出端与功率分配器的输入端按波长通道对应相连，每个波长通道的光经过强度调制器调制后，输入到所述功率分配器中；所述功率分配器将各个波长通道的光信号等比例分配到各个光学矢量-矢量乘法单元中进行并行处理。
优选地，所述滤波器阵列包括一组光滤波器；对于各个光学矢量-矢量乘法单元，所述光滤波器的数目设为与波长通道数相同，每个波长通道对应设有一个光滤波器，光滤波器的输入端与输入矢量编码区对应波长通道的输出端相连接。
优选地，所述权重编码器阵列包括一组设有双输出端口的权重编码器，一个输出端口设为上输出端口，一个输出端口设为下输出端口；对于各个光学矢量-矢量乘法单元，所述权重编码器的数目与波长通道数相同，每个波长通道对应设有一个权重编码器；所述权重编码器采用非谐振型器件，其输入端口与对应同一波长通道的光滤波器的输出端相连接。
优选地，所述波分复用区包括两个波分复用器，设为第一波分复用器和第二波分复用器；所述权重编码器的上输出端口与第一波分复用器连接，权重编码器的下输出端口与第二波分复用器连接。
优选地，所述输出平衡探测区包括两个性能参数相同的光电探测器，设为第一探测器和第二探测器和一个电流/电压转换器；所述第一波分复用器的输出端与所述第一探测器的输入端连接，所述第二波分复用器的输出端与所述第二探测器的输入端相连接；所述在第一探测器和第二探测器中，一个探测器的输出阳极与另一个探测器的输出阴极相连接，由连接两个探测器的导线上一处引出另一根导线与所述电流/电压转换器连接；所述电流/电压转换器将平衡探测器的输出净光电流转换成电压信号用以输出，并与所述模数转换器连接。
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器，利用片上波分复用技术可有效地增加数据的传输带宽，提高信息传输容量和光信号处理的并行化程度，以此使得光芯片的集成度更高，从而降低系统的延迟；利用平衡探测法可实现负权重值的编码，并且可以有效降低暗电流与相对强度噪声对于信号的不利影响、提高探测的灵敏度。该片上集成光学矩阵矢量乘法器的提出，为加速线性计算提供了一种具有潜力的硬件架构。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明充分利用了波分复用技术的优势，可有效提高光芯片的数据传输带宽与信息处理容量；另外，本发明采用了光互连以及并行处理的架构方案，提升了光芯片的集成度，降低了光芯片的延迟，进而提高了系统的计算速度。
2、本发明采用非谐振型器件作为权重编码器的实现方式，可有效地降低不同波长通道的权重编码器之间的光信号串扰，避免在对权重矩阵元素进行编码时可能遇到的编码耦合问题，从而降低权重矩阵编码的复杂度。
3、本发明采用的平衡探测器由两个性能参数相同、异极相连的光电探测器构成，两个探测器的输出电流的方向相反，故平衡探测器输出的电流信号是两个光电探测器所产生的光电流的差值，从而可实现负权重值的编码；此外，平衡探测法可降低光电探测器本征产生的暗电流与光源的相对强度噪声对输出信号的不利影响，提高信噪比以及对微弱信号的探测灵敏度。
附图说明
图1是本发明的一种实施例的整体架构示意图；
图2是图1所示实施例中输入矢量编码区的架构示意图。
图3是图1所示实施例中一个光学矢量-矢量乘法单元的架构示意图。
图4是本发明的光滤波器的一种基于波导-微环耦合谐振器的实施例的结构示意图。
图5是本发明的强度调制器和权重编码器的一种基于马赫-曾德尔干涉仪和多模干涉耦合器级联的实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：
如图1-5所示，本发明提供一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器，包括输入矢量编码区和一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组；输入矢量编码区接收并调制输入进来的不同波长的光信号功率，完成输入矢量的编码；一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组包括一系列工作原理相同的光学矢量-矢量乘法单元，每个该类型的单元均包括滤波器阵列、权重编码器阵列、波分复用区和输出平衡探测区；滤波器阵列的输入端与输入矢量编码区的输出端相连，对经过所述输入矢量编码区处理后的不同波长通道的光信号分别进行滤波，抑制非本波长通道的波长成分；权重编码器阵列的输入端与滤波器阵列的输出端相连，通过调制将权重矩阵的信息加载到滤波后对应的输入矢量的信号上；波分复用区对所有波长通道经过权重编码器阵列调制后的信号进行汇总与收集；输出平衡探测区接收波分复用区收集的光信号并将其转化为电信号用以片外的数据采集与处理；本发明还包括光互连用波导；光互连用波导在本发明的工作波长范围内具有低插损、低串扰的特性，用以连接本发明片上集成光学矩阵矢量乘法器中不同波长通道的交叉处，提高本发明片上集成光学矩阵矢量乘法器的集成度；输入矢量编码区与一个光学矢量-矢量乘法单元完成权重矩阵中的一行矢量与输入矢量的点积运算，多个光学矢量-矢量乘法单元并行处理，构成所述一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组，完成权重矩阵与输入矢量的乘法运算。
本发明提供一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器的执行装置，包括光源信号、数模转换器、模数转换器；光源信号为各波长通道提供不同波长的输入光信号；数模转换器用以将计算机产生的数字信号转换为模拟电信号加载到需要调制的器件上；模数转换器用以将各光学矢量-矢量乘法单元中的输出平衡探测区输出的模拟电压信号转换为数字信号进行实时同步读取；模数转换器采集得到的数据由计算机存储与处理。
输入矢量编码区包括强度调制器阵列、功率分配器；强度调制器阵列中强度调制器的数目与波长通道数相同；每个波长通道包含一个强度调制器，对该波长通道的输入光进行调制，改变各个波长通道的光功率；强度调制器阵列的输出端与功率分配器的输入端按波长通道对应相连，每个波长通道的光经过强度调制器调制后，输入到所述功率分配器中；功率分配器将各个波长通道的光信号等比例分配到各个光学矢量-矢量乘法单元中进行并行处理。
滤波器阵列包括一组光滤波器；对于各个光学矢量-矢量乘法单元，光滤波器的数目与波长通道数相同，每个波长通道包含一个光滤波器，光滤波器的输入端与输入矢量编码区对应波长通道的输出端相连，抑制非该波长通道的光信号，实现选频效果；
权重编码器阵列包括一组具有双输出端口的权重编码器，一个输出端口为上输出端口，一个输出端口为下输出端口；对于各个光学矢量-矢量乘法单元，权重编码器的数目与波长通道数相同，每个波长通道包含一个权重编码器；权重编码器采用非谐振型器件，其输入端口与同一波长通道的光滤波器的输出端相连；
利用数模转换器产生动态电信号加载在各个权重编码器上，可以实现对权重编码器的动态调制，完成权重矩阵对应元素的编码。
对于各个光学矢量-矢量乘法单元，波分复用区包括两个波分复用器，即第一波分复用器和第二波分复用器；所有权重编码器的上输出端口与第一波分复用器相连，所有权重编码器的下输出端口与第二波分复用器相连。
对于各个光学矢量-矢量乘法单元，输出平衡探测区包括两个性能参数相同的光电探测器(设置为第一探测器和第二探测器，二者构成平衡探测器)以及一个电流/电压转换器；第一波分复用器的输出端与第一探测器的输入端相连，第二波分复用器的输出端与第二探测器的输入端相连；其中一个探测器的输出阳极与另一个探测区的输出阴极用导线相连，并在连接两个探测器的导线上一处引出另一根导线，得到第一波分复用器收集的全部波长通道的输出光信号所产生的光电流与第二波分复用器收集的全部波长通道的输出光信号所产生的光电流的差值，作为平衡探测器的输出净光电流；电流/电压转换器将平衡探测器的输出净光电流转换成电压信号用以输出，并由所述模数转换器采集。
实施例
如图1为本发明的一种实施例的整体架构示意图(所有虚线为框架线，非本发明中的任何一个实际对象，传输路线中细实线为光学波导、粗实线和粗箭头线为电学连接部分)，本发明的片上集成光学矩阵矢量乘法器包括输入矢量编码区1、一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组2；输入矢量编码区1包括强度调制器阵列11、功率分配器12；一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组2及其单个光学矢量-矢量乘法单元包括滤波器阵列21、权重编码器阵列22、波分复用(Wavelength Division Multiplexer，WDM)区23、输出平衡探测区24；执行装置包括光源信号3、数模转换器4、模数转换器5。
为了便于说明本发明的工作原理，本实施例以实现任意4×4矩阵与任意4×1矢量的乘法运算为例，根据工作原理拓展本发明的片上集成光学矩阵矢量乘法器，可以实现任意维度的矩阵与任意维度矢量的乘法运算。
如图1所示,光源信号3同时产生四路不同波长的光信号λ1、λ2、λ3、λ4，作为本发明片上集成光学矩阵矢量乘法器的输入信号。光源信号3可以采用片外的分布式反馈激光器，或者对宽谱光源进行滤波等方式实现，可避免利用多台激光器产生输入信号而带来的成本上升问题。若光源信号3由片外方式产生，可通过光栅耦合器将光源信号3引入到本发明的片上集成光学矩阵矢量乘法器中。光源信号3首先进入到输入矢量编码区1，强度调制器阵列11对输入矢量进行编码，并通过功率分配器12将每个波长通道的光信号等比例分配到一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组2中并行处理。功率分配器12分束后的光信号先输入到滤波器阵列21进行光学滤波，抑制非本波长通道的光信号；滤波后的光信号即为已完成编码的输入矢量X，权重编码器阵列22接受滤波器阵列21处理后的光信号，通过调制权重编码器阵列22对权重矩阵W进行编码；所有权重编码器的上输出端口输出的光信号输入到其所在光学矢量-矢量乘法单元的第一波分复用器中，下输出端口输出的光信号输入到其所在光学矢量-矢量乘法单元的第二波分复用器中，在波分复用区23完成所有波长通道光信号的汇总；对于任意一个光学矢量-矢量乘法单元，波分复用区23中的第一波分复用器23-1的输出端与输出平衡探测区24中的第一探测器24-1的输入端相连，第二波分复用器23-2的输出端与第二探测器24-2的输入端相连，这两个光电探测器的不同极性通过导线相连，构成平衡探测器，实现光信号到电流信号的转换，平衡探测器输出的净光电流再经由电流/电压转换器转化为模拟电压信号，并由模数转换器5将模拟电压信号转换为数字信号进行同步实时采集，采集得到的数据由计算机存储与处理。本发明中对不同波长通道的交叉处，采用相同的光互连用波导(例如光互连用波导12-22)连接不同波长通道，提高片上集成光学矩阵矢量乘法器的集成度。光互连用波导在工作波长范围内具有低插损、低串扰的特性。
本发明的片上集成光学矩阵矢量乘法器调制与编码过程可以通过热光调制的方式完成，即在各个光集成器件上方沉积电极材料(如氮化钛等)，通过对电极材料施加电压使其产生热量并传导给光集成器件，使得器件材料的折射率发生变化，进而改变器件的光学性能，实现权重矩阵与输入矢量的光学编码。本发明中需要调制的器件，如强度调制器阵列11、滤波器阵列21、权重编码器阵列22等，可通过数模转换器4将计算机产生的数字信号转化为模拟电压信号同步地加载到待调制器件上方的电极材料上。
具体地，首先在输入矢量编码区1中对输入光信号进行处理。图2为本发明所述的片上集成光学矩阵矢量乘法器的一种实施例的输入矢量编码区1，数模转换器4输出的电压信号
Figure BDA0002491044420000081
分别同步地加载到强度调制器11-1、强度调制器11-2、强度调制器11-3、强度调制器11-4的电极材料上，对λ1、λ2、λ3、λ4通道的输入光信号分别进行调制，使强度调制器阵列11输出的光功率分布动态改变，实现输入矢量的初步编码，λ1、λ2、λ3、λ4通道的光经过强度调制器阵列11调制后的光功率分布为
Figure BDA0002491044420000082
功率分配器12可以由一组串联设置的定向耦合器单元实现，定向耦合器单元的数目与并行的光学矢量-矢量乘法单元的数量相同；每个单元中，一个波长通道各包含一个定向耦合器(例如定向耦合器12-21)，同一单元内定向耦合器的有效耦合长度相同。图2所示为本发明实施例的四组定向耦合器单元12-1、12-2、12-3、12-4，根据倏逝波耦合理论，四组定向耦合器单元在波导耦合间距相同的情况下，采用不同的有效耦合长度，使得定向耦合器单元12-1中所有定向耦合器的功率分束比为1/4，定向耦合器单元12-2中所有定向耦合器的功率分束比为1/3，定向耦合器单元12-3中所有定向耦合器的功率分束比为1/2，定向耦合器单元12-4中所有定向耦合器的功率分束比为1。这样设计的目的是：对任意一个波长通道而言，使得每个定向耦合器单元输出的光信号功率均相等，确保对于每个光学矢量-矢量乘法单元，输入矢量的编码方式相同。
功率分配器12中各波长通道的直通波导与其他波长通道通过定向耦合器分束后的传输波导若存在交叉处，用所述光互连用波导连接。
由于各光学矢量-矢量乘法单元的工作原理基本相同，为了便于描述实施例，对于各光学矢量-矢量乘法单元和一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组2，附图标记采用相同的编号描述。以其中一个光学矢量-矢量乘法单元为例，说明一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组2的工作原理：
一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组2中包括多个光学矢量-矢量乘法单元，每个光学矢量-矢量乘法单元的输入端与功率分配器12的对应输出端相连。图3所示为其中一个光学矢量-矢量乘法单元实施例的架构示意图，包括该单元的滤波器阵列21、权重编码器阵列22、波分复用区23、输出平衡探测区24。输入到该光学矢量-矢量乘法单元的四个波长通道的光功率分布应为
Figure BDA0002491044420000091
在该光学矢量-矢量乘法单元中，λ1、λ2、λ3、λ4通道的光信号分别输入到滤波器阵列21中对应的光滤波器中。光滤波器可以由波导-微环耦合谐振器实现，同一光学矢量-矢量乘法单元中的波导-微环耦合谐振器21-1、21-2、21-3、21-4中的微环半径各不相同，根据所在通道的工作波长设计对应的微环半径，使得波导-微环耦合谐振器21-1、21-2、21-3、21-4的谐振波长，分别与工作波长λ1、λ2、λ3、λ4相同，达到最优的滤波效果。此外，为了补偿加工误差带来的实际谐振波长与设计值的偏移，可以利用数模转换器4输出合适的模拟电压信号，对波导-微环耦合谐振器上方的电极加热，改变微环的群折射率，使微环谐振器的谐振峰与其所在通道的工作波长重合。
单个波导-微环耦合谐振器的结构如图4所示。光信号由波导-微环耦合谐振器的输入端21-1-1进入，当输入光的波长满足谐振条件时，由波导耦合进微环的光由于正反馈效果而增强，此时该波长的光在Drop端21-1-2的透过率达到极大值，Through端21-1-3的透过率达到极小值，Add端21-1-4几乎没有光信号。弯曲波导耦合部分21-1-5和21-1-6是与微环同心的圆弧形波导，在工艺可达到的最小的波导-微环间距基础上，通过设计合理的弧长，获得最优的波导与微环之间的有效耦合长度以提高耦合效率和滤波效果。所有波导-微环耦合谐振器的Drop端21-1-2作为滤波器阵列21的输出端，实现对非本波长通道光信号的抑制，降低不同波长通道之间的光串扰。
该光学矢量-矢量乘法单元中滤波器阵列的输出光功率分布为
Figure BDA0002491044420000101
T1、T2、T3、T4分别为波导-微环耦合谐振器21-1、21-2、21-3、21-4在处于谐振状态下Drop端的透过率。该光功率分布携带有输入矢量的信息。
然后，将滤波器阵列21输出的光信号输入到权重编码器阵列22中。对于每个光学矢量-矢量乘法单元，权重编码器阵列22由权重编码器22-1、22-2、22-3、22-4组成，每个权重编码器的输入端分别与滤波器阵列21中的波导-微环耦合谐振器21-1、21-2、21-3、21-4的Drop输出端相连；本发明的片上集成光学矩阵矢量乘法器中的权重编码器采用非谐振型集成光子器件，例如图5所示为一种基于马赫-曾德尔干涉仪(Mach-ZehnderInterferometer，MZI)与多模干涉耦合器(Multimode Interference Coupler，MMI)的权重编码器的实施例：
通过1×2多模干涉耦合器22-1-1，将权重编码器的输入光分成两束并各自进入马赫-曾德尔干涉仪22-1-2的两路干涉臂中，其中一路包括相移器22-1-3，其工作方式可采用上述的热光调制；相移器22-1-3通过加载动态电压信号可改变该路光信号的相位，使得2×2多模干涉耦合器22-1-4两个入射端口的光的相位差发生改变，从而动态改变2×2多模干涉耦合器22-1-4两个输出端口的透过率，进而实现权重编码器上输出端口(例如上输出端口22-1-5)与下输出端口(例如下输出端口22-1-6)功率分配比的动态变化。
理想情况下，经过MZI调制后的MMI两个输出端口各自的透过率随相移器22-1-3加载电压平方的变化趋势为正弦型曲线，且同一电压值下MMI两个输出端口的透过率之和为1；对于波长通道λi(i＝1,2,3,4)，当相移器22-1-3加载电压值为
Figure BDA0002491044420000102
时，权重编码器的上输出端口22-1-5的透过率为
Figure BDA0002491044420000103
下输出端口22-1-6的透过率为
Figure BDA0002491044420000104
从而通道λi上输出端口22-1-5的光功率为
Figure BDA0002491044420000111
下输出端口22-1-6的光功率为
Figure BDA0002491044420000112
接着，权重编码器阵列22输出的光输入到波分复用区23中，片上波分复用技术可以利用微环阵列、阵列波导光栅、平板凹面光栅等方案实现。对于每个光学矢量-矢量乘法单元，权重编码器阵列22中所有权重编码器的上输出端口22-1-5的光汇总输入到第一波分复用器23-1中，下输出端口22-1-6的光汇总输入到第二波分复用器23-2中。第一波分复用器23-1输出端的光功率为：
Figure BDA0002491044420000113
第二波分复用器23-2输出端的光功率为：
Figure BDA0002491044420000114
Figure BDA0002491044420000115
一个光学矢量-矢量乘法单元的波分复用区23对该光学矢量-矢量乘法单元中所有权重编码器阵列22的输出光信号进行收集，第一波分复用器23-1与第二波分复用器23-2输出端的光功率携带有权重矩阵对应行矢量与输入矢量点积的信息。
在波分复用区23中，不同波长通道的各权重编码器的上输出端口与下输出端口的交叉处，用所述光互连用波导相连。
接着，第一波分复用器23-1的输出端的光信号输入到输出平衡探测区24中的第一探测器24-1中；第二波分复用器23-2的输出端的光信号输入到输出平衡探测区24中的第二探测器24-2中；第一探测器24-1与第二探测器24-2的性能参数相同，对波长λi的响应度为Rd(λi)；第一探测器24-1产生的光电流值为
Figure BDA0002491044420000116
第二探测器24-2产生的光电流值为
Figure BDA0002491044420000117
Figure BDA0002491044420000118
二者不同的输出极性用导线相连，构成平衡探测器；从相连导线上选取一个节点引出另一导线用以采集平衡探测器的输出净光电流，平衡探测器的输出净光电流为第一探测器24-1与第二探测器24-2输出光电流的差值：
Figure BDA0002491044420000119
平衡探测器的输出净光电流携带权重矩阵的一个行矢量与输入矢量进行点积得到的结果信息；对于第j个光学矢量-矢量乘法单元，
Figure BDA00024910444200001110
表征了权重矩阵中对应元素Wji的信息，
Figure BDA00024910444200001111
表征了输入矢量中对应元素xi的信息；
Figure BDA0002491044420000121
是λi通道的权重编码器上输出端口22-1-5的透过率，是一个介于0到1之间的可调谐值，故
Figure BDA0002491044420000122
在理想情况下的值域为[-1,1]，从而可实现负值权重矩阵元素的编码。
接着，平衡探测器输出的净光电流输入到相应的电流/电压转换器中，电流/电压转换器可以采用跨阻放大器(Trans-Impedance Amplifier，TIA)实现。跨阻放大器24-3将平衡探测器输出的净光电流放大并转换成模拟电压信号，其输出的电压大小为：
Figure BDA0002491044420000123
V0为TIA无电流输入时的输出电压，ZT为TIA的跨阻增益；TIA输出的电压大小表征了该光学矢量-矢量乘法单元所对应的权重矩阵中一行矢量[Wj1 Wj2 Wj3 Wj4]与输入矢量[x1 x2 x3 x4]T点积的结果。
以上的工作原理分析是以其中一个光学矢量-矢量乘法单元为例的，其所代表的矩阵行序号为j；按照此工作原理，在输入矢量编码区1中利用功率分配器12将经过强度调制器阵列11调制后的光信号等比例分配到四个光学矢量-矢量乘法单元中并行处理，可实现任意4×4矩阵W与4×1矢量X的乘法运算：
Figure BDA0002491044420000124
各并行的光学矢量-矢量乘法单元中TIA的输出电压由模数转换器5同步采集，并在计算机中完成所采集数据的后续处理。
更为一般地拓展本发明的实施例，利用N个波长通道和M组并行的光学矢量-矢量乘法单元，按照本发明片上集成光学矩阵矢量乘法器的工作原理，可以实现任意M×N矩阵与任意N×1矢量的乘法运算。
下面以波长通道为i、处于序号为j的光学矢量-矢量乘法单元为例，说明数模转换器4加载在强度调制器11-i和权重编码器22-i的动态电压信号
Figure BDA0002491044420000125
分别与输入矢量元素xi编码值、权重矩阵元素Wji编码值的映射关系的确定方案：
首先，光源信号3中只打开通道λi的光源，其他波长通道的光信号关闭，调节权重编码器22-i中MZI干涉臂上热相移器的加载电压
Figure BDA0002491044420000131
使得模数转换器5采集到的跨阻放大器的输出电压信号达到极大值；保持此时的
Figure BDA0002491044420000132
值不变，即相当于保持Wji的归一化编码值为1，以极小的电压变化间隔(可参考数模转换器4的分辨率决定电压取样间隔大小)扫描强度调制器11-i上的加载电压
Figure BDA0002491044420000133
可获得强度调制器11-i所加载的动态电压信号
Figure BDA0002491044420000134
与输入矢量元素xi的编码值的离散映射关系fx：
Figure BDA0002491044420000135
其中Nx为
Figure BDA0002491044420000136
实际的电压采样数；在此基础上对离散映射关系fx归一化处理后，再进行合理的插值，可获得
Figure BDA0002491044420000137
的最终映射关系。
进一步地，保持动态电压信号
Figure BDA0002491044420000138
为某一值
Figure BDA0002491044420000139
(
Figure BDA00024910444200001310
对应的xi (k)不为0的情况)不变，
Figure BDA00024910444200001311
以极小的电压变化间隔(可参考数模转换器4的分辨率决定电压取样间隔大小)扫描采样，可获得强度调制器11-i加载的动态电压信号为
Figure BDA00024910444200001312
时，权重编码器22-i所加载的动态电压信号
Figure BDA00024910444200001313
与序号为j的光学矢量-矢量乘法单元实现的矢量-矢量点积结果Yj的离散映射关系fwx(k)：
Figure BDA00024910444200001314
其中Nw为
Figure BDA00024910444200001315
实际的电压采样数；在此基础上对离散映射关系
Figure BDA00024910444200001316
归一化处理后，再进行合理的插值，可获得
Figure BDA00024910444200001317
的最终映射关系。
最后，将上述离散映射
Figure BDA0002491044420000144
右侧的矢量与离散映射fx中由xi (k)元素扩充的矢量[xi (k)xi (k)…xi (k)]T进行元素点除，该矢量包含Nw行，由此可以得到
Figure BDA0002491044420000141
的离散映射关系fw：
Figure BDA0002491044420000142
在此基础上对离散映射关系fw归一化处理后，再进行合理的插值，可获得
Figure BDA0002491044420000143
的最终映射关系。
按照上述确定加载电压值与编码值映射关系的方法，可逐步将本发明中所有与输入矢量相关的强度调制器以及所有与权重矩阵相关的权重编码器的“动态电压信号-编码值”映射关系求解出来；将求解的映射关系由计算机存储，在执行本发明所提出的一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器的实际计算过程时，只需要调用映射关系即可完成所需的矩阵与矢量的乘法运算。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器，其特征在于：包括输入矢量编码区和一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组；所述输入矢量编码区设有多个不同的波长通道；所述一组并行的光学矢量-矢量乘法单元组包括一系列工作原理相同的光学矢量-矢量乘法单元，每个该类型的单元均包括滤波器阵列、权重编码器阵列、波分复用区和输出平衡探测区；所述滤波器阵列的输入端与所述输入矢量编码区的输出端相连；所述权重编码器阵列的输入端与滤波器阵列的输出端相连；所述对所有波长通道的信号进行汇总与收集的波分复用区与所述输出平衡探测区连接，输出平衡探测区接收波分复用区收集的光信号并将其转化为电信号，从而进行数据采集与处理。
2.如权利要求1所述的一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器，其特征在于：所述片上集成光学矩阵矢量乘法器中设有的不同波长通道的交叉处设有用于提高片上集成光学矩阵矢量乘法器的集成度的光互连用波导。
3.一种应用权利要求1或2所述的一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器的执行装置，其特征在于：还包括光源信号、数模转换器和模数转换器；所述光源信号为各波长通道提供不同波长的输入光信号；所述数模转换器用以将计算机产生的数字信号转换为模拟电信号加载到需要调制的器件上；所述模数转换器用以将各光学矢量-矢量乘法单元中所述输出平衡探测区输出的模拟电压信号转换为数字信号进行实时同步读取；所述模数转换器采集得到的数据由计算机存储与处理。
4.如权利要求3所述的一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器的执行装置，其特征在于：所述输入矢量编码区包括强度调制器阵列和功率分配器；所述强度调制器阵列中设有的强度调制器的数目设为与波长通道数相同；所述的每个波长通道设有一个强度调制器；强度调制器阵列的输出端与功率分配器的输入端按波长通道对应相连，每个波长通道的光经过强度调制器调制后，输入到所述功率分配器中；所述功率分配器将各个波长通道的光信号等比例分配到各个光学矢量-矢量乘法单元中进行并行处理。
5.如权利要求4所述的一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器的执行装置，其特征在于：所述滤波器阵列包括一组光滤波器；对于各个光学矢量-矢量乘法单元，所述光滤波器的数目设为与波长通道数相同，每个波长通道对应设有一个光滤波器，光滤波器的输入端与输入矢量编码区对应波长通道的输出端相连接。
6.如权利要求5所述的一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器的执行装置，其特征在于：所述权重编码器阵列包括一组设有双输出端口的权重编码器，一个输出端口设为上输出端口，一个输出端口设为下输出端口；对于各个光学矢量-矢量乘法单元，所述权重编码器的数目与波长通道数相同，每个波长通道对应设有一个权重编码器；所述权重编码器采用非谐振型器件，其输入端口与对应同一波长通道的光滤波器的输出端相连接。
7.如权利要求6所述的一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器的执行装置，其特征在于：所述波分复用区包括两个波分复用器，设为第一波分复用器和第二波分复用器；所述权重编码器的上输出端口与第一波分复用器连接，权重编码器的下输出端口与第二波分复用器连接。
8.如权利要求7所述的一种基于波分复用与平衡探测的片上集成光学矩阵矢量乘法器的执行装置，其特征在于：所述输出平衡探测区包括两个性能参数相同的光电探测器，设为第一探测器和第二探测器和一个电流/电压转换器；所述第一波分复用器的输出端与所述第一探测器的输入端连接，所述第二波分复用器的输出端与所述第二探测器的输入端相连接；所述在第一探测器和第二探测器中，一个探测器的输出阳极与另一个探测器的输出阴极相连接，由连接两个探测器的导线上一处引出另一根导线与所述电流/电压转换器连接；所述电流/电压转换器将平衡探测器的输出净光电流转换成电压信号用以输出，并与所述模数转换器连接。
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