CN112486244A - 一种光计算设备以及光信号处理方法 - Google Patents

Abstract

一种光计算设备以及光信号处理方法，用以提供一种由全光反馈网络构成的光伊辛机，提高光伊辛机的运算速度。本申请中，光计算设备包括自旋输入模块、全光反馈网络以及反馈导入模块。自旋输入模块根据接收第一组信号产生一组自旋信号，该组自旋信号包括N个自旋信号，全光反馈网络接收到该组自旋信号后，通过调制有第一数据的调制器件对该组自旋信号进行处理，生成一组反馈信号，该组反馈信号包括N个反馈信号，反馈导入模块将接收到的该组反馈信号传输至自旋输入模块。光全光反馈网络在进行信号处理时，不需借助光电转换，有效缩短信号处理时间，有效提高光计算设备的运算效率。

Description

一种光计算设备以及光信号处理方法

技术领域

本申请涉及信息技术领域，尤其涉及一种光计算设备以及光信号处理方法。

背景技术

药物设计、交通物理规划、网络资源分配等许多领域中的非确定性多项式时间困难(non-deterministic polynomial hard，NP-hard)问题可以先转化为伊辛模型，借由光伊辛机对该伊辛模型进行模拟求解。

光伊辛机利用多个光信号构成格点网络的物理现象模拟求解伊辛模型。光伊辛机中包括自旋输入模块，反馈生成模块和反馈导入模块，自旋输入模块可以产生多个光信号，并将产生的多个光信号发送至反馈生成模块，反馈生成模块基于接收到光信号转换为反馈信号，通过反馈导入单元将反馈信号发送至自旋输入单元。

目前，常见的反馈生成模块需要借助光电转换，需要先将多个光信号转换为电信号，电信号经过现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)的作用，电信号上加载有反馈信息，之后，根据作用后的电信号对新的光信号的相位或强度调制，调制后的光信号即为反馈信号。

这种借助光电转换的反馈生成单元构成的光伊辛机，光信号的处理速度受限于光电转换，速度较慢，不能高速的生成反馈信号，使得整个光伊辛机的运行速度减慢。

发明内容

本申请提供一种光计算设备以及光信号处理方法，用以提供一种由全光反馈网络构成的光伊辛机，提高光伊辛机的运算速度。

第一方面，本申请提供了一种光计算设备，该光计算设备包括自旋输入模块、全光反馈网络以及反馈导入模块，该全光反馈网络连接自旋输入模块以及反馈导入模块，反馈导入模块连接该自旋输入模块。

光计算设备中光信号的处理过程如下：自旋输入模块可以根据第一组信号产生一组自旋信号(如第一组自旋信号)，该组自旋信号包括N个自旋信号，其中，N为不小于2的整数，每个自旋信号为光信号；自旋输入模块可以将该组自旋信号输入到全光反馈网络，全光反馈网络接收到该组自旋信号后，可以通过调制有第一数据的调制器件对该组自旋信号进行处理，生成一组反馈信号(如第一组反馈信号)，该组反馈信号包括N个反馈信号，生成的每个反馈信号也是光信号；全光反馈网络可以将生成的该组反馈信号发送给反馈导入模块，反馈导入模块可以将接收到的该组反馈信号传输至自旋输入模块。自旋输入模块接收到该组反馈信号可以循环上述过程，接收新的一组信号(如第二组信号)，产生另一组自旋信号(如第二组自旋信号)，另一组自旋信号包括N个自旋信号，发送给全光反馈网络，之后全光反馈网络再通过调制有第一数据的调制器件对另一组自旋信号进行处理，生成另一组反馈信号(如第二组反馈信号)，另一组反馈信号再由反馈导入模块传输至自旋输入模块。如此循环，其中，自旋输入模块每次产生的一组自旋信号能够指示光计算设备处理光信号过程中的一个中间计算结果。当自旋输入模块产生的一组自旋信号的相位达到预设值时，此时该组自旋信号可以指示光计算设备处理光信号过程的最终计算结果。

在本申请提供的光计算设备中，光计算设备中利用全光反馈网络产生N个反馈信号，全光反馈网络在进行信号处理时，并不需要借助光电转换，能够有效缩短信号处理的时间，进而，可以有效提高光计算设备的运算效率。

在一种可能的实现方式中，全光反馈网络包括分光模块、调制器件以及合光模块，其中调制器件上调制有第一数据。全光反馈网络进行信号处理的过程如下：分光模块先接收一组自旋信号，对该组自旋信号进行分光，将该组自旋信号转换为光信号矩阵，其中，光信号矩阵中包括N*N个光信号。之后，调制器件根据第一数据以及光信号矩阵生成反馈信号矩阵，反馈信号矩阵中包括N*N个光信号。合光模块可以对反馈信号矩阵进行合光，将反馈信号矩阵转换为一组反馈信号。

在本申请提供的光计算设备中，全光反馈网络进行信号处理时，将N个自旋信号，先转换为光信号矩阵，通过矩阵运算，产生反馈信号矩阵，再进行合光。整个过程中不需要进行光电转换，仅是利用光信号本身的特性进行光信号的处理，有利于减少光信号的处理时间。

在一种可能的实现方式中，分光模块包括第一微透镜阵列和第一柱面镜。第一微透镜阵列能够对一组自旋信号进行准直；第一柱面镜可以将准直后的每个自旋信号分成N个光信号，其中，N个自旋信号分成的N*N个光信号构成光信号矩阵。

在本申请提供的光计算设备中，通过第一微透镜阵列和第一柱面镜能够较为便捷地将一组自旋信号转换为一个N*N个光信号的光信号矩阵，便于后续处理。

在一种可能的实现方式中，调制器件可以为空间光调制器，也可以为数字微镜阵列。

其中，空间光调制器包括多个独立的调制器，这些独立的调制器能够对光信号的透过率进行调整。当光信号矩阵投射到空间光调制器时，空间光调制器可以基于调制的第一数据调整光信号矩阵中的每个光信号的透过率，生成反馈信号矩阵。

数字微镜阵列包括多个反射镜，这些反射镜能够对光信号的传播方向进行调整。当光信号矩阵投射到数字微镜阵列时，数字微镜阵列可以基于第一数据调整光信号矩阵中的每个光信号的传输方向，生成反馈信号矩阵。

在本申请提供的光计算设备中，无论是空间光调制器还是数字微镜阵列，均能够同时对光信号矩阵中的光信号进行处理，能够有效的缩短光信号的处理时间。

在一种可能的实现方式中，合光模块包括第二柱面镜和第二微透镜阵列。

第二柱面镜可以进行合光，将反馈信号矩阵中的N*N个光信号合并为一组反馈信号，其中，反馈信号矩阵中的每一列光信号被合成为一个反馈信号；之后，第二微透镜阵列可以对该组反馈信号进行聚焦。

在本申请提供的光计算设备中，通过第二微透镜阵列和第二柱面镜能够较为便捷的将N*N个光信号的反馈信号矩阵转换为一组反馈信号。

在一种可能的实现方式中，自旋输入模块接收的一组信号(如第一组信号和第二组信号)可以包括多个光信号，也可以包括多个电信号。示例性的，光信号或电信号的数目可以是N，当自旋输入模块接收的一组信号包括多个电信号时，自旋输入模块可以将该多个电信号转换为一组光信号，该组光信号包括N个光信号。

在本申请提供的光计算设备中，自旋输入模块可以对光信号进行直接处理，也可以进行光电转换，之后再对转换后的光信号进行处理，能够适用于不同的应用场景，扩展了应用范围。

在一种可能的实现方式中，自旋输入模块包括N个光参量振荡器，其中，每个光参量振荡器可以接收一组信号(如第一组信号和第二组信号)中的一个光信号或一个电信号(一个光信号或一个电信号也可以称为一组信号中的一个信号)，并根据接收的一个光信号或一个电信号产生一个自旋信号。

在本申请提供的光计算设备中，自旋输入模块包括N个光参量振荡器可以并行的对N个光信号进行处理，能够提高光信号的处理速度，可以有效提高光计算设备的运算效率。

在一种可能的实现方式中，反馈导入模块包括N个光纤，每个光纤用于将N个反馈信号中的一个反馈信号传输至自旋输入模块。

在本申请提供的光计算设备中，通过N个光纤，可以将N个反馈信号同时传输至自旋输入模块，这样可以有利于自旋输入模块可以对N个反馈信号同时处理，高效的产生N个自旋信号。

在一种可能的实现方式中，反馈导入模块包括合束器和一个光纤，合束器可以将N个反馈信号合术为一个光信号，该光纤可以将合束后的一个光信号传输至自旋输入模块。当自旋输入模块接收到合束后的光信号后，可以将该光信号分为N个反馈信号，便于后续产生N个自旋信号。

在本申请提供的光计算设备中，反馈导入模块只需要使用一个光纤，可以有效节约成本，简化反馈导入模块与自旋输入模块的连接方式。

在一种可能的实现方式中，光计算设备还包括探测器阵列，探测器阵列可以连接自旋输入模块，探测器阵列可以探测自旋输入模块输出的第二组自旋信号的相位，当第二组自旋信号的相位为预设值时，根据第二组自旋信号获得第一数据的计算结果。

在本申请提供的光计算设备中，探测器阵列能够对自旋输入模块输出的第二组自旋信号的进行检测，及时获取光计算设备的中间计算结果以及最终的计算结果。

第二方面，本申请提供了一种光信号处理方法，有益效果可以参见第一方面的相关描述，此处不再赘述。该方法由光计算设备执行，该光计算设备包括自旋输入模块、全光反馈网络以及反馈导入模块；

自旋输入模块根据接收的第一组信号产生一组自旋信号(如第一组自旋信号)，该组自旋信号包括N个自旋信号，其中，N为不小于2的整数，每个自旋信号为光信号，其中自旋输入模块接收的第一组信号可以一组光信号，也可以是一组电信号。自旋输入模块当接收到一组电信号时，可以先将接收到的该组电信号转换为一组光信号，在再根据该组光信号产生一组自旋信号。之后，全光反馈网络从自旋输入模块接收该组自旋信号。全光反馈网络再通过调制有第一数据的调制器件对该组自旋信号进行处理，生成一组反馈信号(如第一组反馈信号)，该组反馈信号包括N个反馈信号，其中，每个反馈信号为光信号。反馈导入模块将该组反馈信号传输至自旋输入模块。

之后，自旋输入模块还可以继续一组信号(为与之前接收的第一组信号做区分，该组信号可以称为第二组信号)，并根据第二组信号与从反馈导入模块传输的一组反馈信号产生一组新的自旋信号(如第二组自旋信号)，该组自旋信号包括N个自旋信号，其中，N为不小于2的整数，每个自旋信号为光信号，其中自旋输入模块后续接收的第二组信号可以一组光信号，也可以是一组电信号。自旋输入模块当接收到一组电信号时，可以先将接收到的该组电信号转换为一组光信号，在再根据该组光信号产生一组自旋信号(如第二组自旋信号)。之后，全光反馈网络从自旋输入模块接收该组自旋信号；全光反馈网络再通过调制有第一数据的调制器件对该组自旋信号进行处理，生成新的一组反馈信号(如第二组反馈信号)，该组反馈信号包括N个反馈信号，其中，每个反馈信号为光信号。反馈导入模块将该组反馈信号传输至自旋输入模块。

在一种可能的实现方式中，全光反馈网络在生成一组反馈信号时，全光反馈网络中的分光模块先接收一组自旋信号，将该组自旋信号转换为光信号矩阵，其中，光信号矩阵中包括N*N个光信号；之后，调整有第一数据的调制器件根据第一数据以及光信号矩阵生成反馈信号矩阵，反馈信号矩阵中包括N*N个光信号。合光模块将反馈信号矩阵转换为一组反馈信号。

第三方面，本申请提供了一种光计算芯片，所述光计算芯片可以包括如第一方面或第一方面的任意一种可能的实现方式中所述的光计算设备。

附图说明

图1为本申请提供的一种光计算设备的结构示意图；

图2为本申请提供的一种光计算设备的光信号处理过程的示意图；

图3为本申请提供的一种自旋输入模块的结构示意图；

图4为本申请提供的一种光参量振荡腔的结构示意图；

图5为本申请提供的一种全光反馈网络的结构示意图；

图6A为本申请提供的XY平面合光模块对自旋信号组E的处理流程图；

图6B为本申请提供的YZ平面合光模块对自旋信号E₁的处理流程图；

图7为本申请提供的合光模块产生的光信号矩阵示意图；

图8为本申请提供的一种调制器件对信号处理的流程图；

图9为本申请提供的一种反馈信号矩阵的示意图；

图10A为本申请提供的XY平面合光模块对反馈信号矩阵的处理流程图；

图10B为本申请提供的YZ平面合光模块对反馈信号矩阵中的一列信号的处理流程图；

图11为本申请提供的一种光计算设备的结构示意图；

图12为本申请提供的一种光信号处理方法示意图。

具体实施方式

本申请提供了一种光计算设备以及光信号处理方法，用以提供一种由全光反馈网络构成的光伊辛机，提高光伊辛机的运算速度。本申请中，光计算设备中，自旋输入模块可以接收N个光信号，并根据该N个光信号产生N个自旋信号，自旋输入模块可以将这N个自旋信号输入至全光反馈网络，该全光反馈网络在接收到该N个自旋信号后，能够利用调制有第一数据的调制器件，对这N个自旋信号进行处理产生N个反馈信号，再由反馈导入模块将这N个反馈信号发送给自旋输入模块。全光反馈网络在进行光信号的处理时，整个过程并不需要进行光电转换，能够有效的提高全光反馈网络的信号处理速度，进而提高整个光计算设备的运算速度。

下面结合附图，对本申请实施例提供的光计算设备进行说明，参见图1，该光计算设备10包括自旋输入模块100、全光反馈网络200以及反馈导入模块300。全光反馈网络200分别与自旋输入模块100以及反馈导入模块300连接，自旋输入模块100与反馈导入模块300连接。

在本申请实施例中，自旋输入模块100可以根据接收的一组信号产生一组自旋信号，该组自旋信号包括N个自旋信号，若自旋输入模块100在接收到信号的同时，还接收到反馈导入模块300传输的一组反馈信号，该组反馈信号包括N个反馈信号，则自旋输入模块100可以根据接收的信号和一组反馈信号产生一组自旋信号，该组自旋信号包括N个自旋信号。

本申请实施例并不限定自旋输入模块100接收的一组信号中包括的信号类型，该组信号可以包括多个光信号，也可以包括多个电信号。例如光信号和电信号的数量可以为N。当接收到一组电信号(包括N个电信号)时，自旋输入模块100能够将接收到的一组电信号转换为N个光信号，当转换为N个光信号后，自旋输入模块100可以根据N个光信号(和N个反馈信号)转换为N个自旋信号。在本申请实施例中仅是以自旋输入模块100接收的信号为一组光信号为例进行说，该组光信号包括N个光信号。

本申请实施例并不限定自旋输入模块100接收的一组信号的来源，例如该组信号可以是由泵浦源按照特定的周期发送的，泵浦源可以按照周期T，每个周期T产生一组信号，该组信号中包括的光信号或电信号可以相同，也可以不同。该组信号中光信号或电信号同时到达自旋输入模块100。

全光反馈网络200可以对自旋输入模块100输入的一组自旋信号进行处理，在处理的过程中需要借助调制有第一数据的调制器件，该调制器件能够光信号的相位或强度进行调制。全光反馈网络200在对自旋输入模块100输入的一组自旋信号进行处理后，可以产生一组反馈信号。全光反馈网络200可以将该组反馈信号输入到反馈导入模块300。

反馈导入模块300能够将这N个反馈信号输入到自旋输入模块100。

在本申请实施例中以自旋输入模块100接收的一组信号包括N个光信号为例进行说明，对于自旋输入模块100接收的一组信号包括N个电信号的情况与自旋输入模块100接收的一组信号包括N个光信号的情况类似，区别在于自旋输入模块100接收的一组信号包括N个电信号时，自旋输入模块100需要先将该N个电信号转换为N个光信号。对于后续处理该N个光信号的方式与自旋输入模块100接收的一组信号包括N个光信号时，处理N个光信号的方式相同。

下面结合附图2，对如图1所示的光计算设备的光信号处理过程进行说明，参见图2。

自旋输入模块100先接收到N个光信号，该N个光信号构成一组光信号组，为方便说明该组光信号组用光信号组A，该光信号组A中包括N个相同的光信号，分别为A₁、A₂、A₃、……A_N。

自旋输入模块100可以根据光脉冲组A产生N个自旋信号，该N个自旋信号构成一组自旋信号(为方便说明，该组自旋信号用自旋信号组E表示)，该自旋信号组E中N个自旋信号，分别为E₁、E₂、E₃……E_N，之后，将该自旋信号组E输入至全光反馈网络200。

全光反馈网络200接收到自旋信号组E后，利用调制有第一数据的调制器件对自旋信号组E进行处理，产生N个反馈信号，该N个反馈信号构成一组反馈信号(为方便说明，该组反馈信号用反馈信号组fA表示)，反馈信号组fA包括N个反馈信号，分别为fA₁、fA₂、……、fA_N。

反馈导入模块300接收到反馈信号组fA，将反馈信号组fA输入值自旋输入模块100。

之后，光计算设备10内部会循环上述过程。示例性的，自旋输入模块100接收到该反馈信号组fA后，会再接收一组光信号，为方便说明，该组光信号用光信号组B表示，该光信号组B包括N个光信号，分别为B₁、B₂、B₃、……B_N。光信号组B中的光信号与光信号组A中的光信号可以不同，例如，光信号组B中的光信号的幅值可以大于光信号组A中的光信号的幅值。

自旋输入模块100根据反馈信号组fA和光脉冲组B，产生一组自旋信号(为方便说明，该组自旋信号用自旋信号组F表示)，该自旋信号组F中N个自旋信号，分别为F₁、F₂、F₃……F_N，之后，将该自旋信号组F输入至全光反馈网络200。全光反馈网络200利用调制有第一数据的调制器对该自旋信号组F进行处理，产生一组反馈信号(为方便说明，该组反馈信号用反馈信号组fB表示)，反馈信号组fB包括N个反馈信号，分别为fB₁、fB₂、……、fB_N。反馈导入模块300接收到反馈信号组fB，将反馈信号组fB输入值自旋输入模块100。

由上可知，自旋输入模块100可以根据接收到的N个光信号(和N个反馈信号)产生N个自旋信号，全光反馈网络200则可以根据N个自旋信号产生N个反馈信号。这N个反馈信号被反馈导入模块300传输到自旋输入模块100，以使得自旋输入模块100根据后续接收的N个光信号产生新的N个自旋信号。

自旋输入模块100每次产生的N个自旋信号指示的是光计算设备10的一次中间计算结果，直至自旋输入模块100产生的N个自旋信号的相位坍缩到0或者π，则该组自旋信号则可以指示最终的计算结果。

为了能够实时监控自旋输入模块100每次产生的N个自旋信号的相位，光计算设备10中还可以包探测器阵列400，探测器阵列400可以与自旋输入模块100连接，对自旋输入模块100输出一组自旋信号进行探测，确定该组自旋信号中包括的各个自旋信号的相位，当自旋输入模块100接收的光信号的光功率达到设定值时，各个自旋信号的相位可能会随机坍缩到0或者π，当各个自旋信号的相位坍缩均到0或者π时，则认为当前输出的该组自旋信号与第一数据相对应，可以根据该组自旋信号确定最终的计算结果。

前述说明中，对光计算设备中的信号传输过程进行了说明，下面对光计算设备中各个组成部分对信号的处理方式进行说明：

(1)、自旋输入模块100。

本申请实施例并不限定自旋输入模块100的构造，凡是能够根据接收的一组信号产生N个自旋信号的模块均适用于本申请实施例。自旋输入模块100除了光参量振荡器外，还可以是由激光器构成的激光器阵列，也可以是由克尔振荡器构成的克尔振荡器阵列。

下面对本申请实施例提供的一种自旋输入模块100进行说明。

如图3所示，自旋输入模块100包括多个并行的光参量振荡腔110，光参量振荡腔110的数量与接收的一组信号中包括的光信号或电信号的数量相同。每个光参量振荡腔110可以从反馈导入模块300接收一组反馈信号组中的一个反馈信号。其中，光参量振荡腔110包括但不限于光泵浦的光参量振荡腔110、电泵浦的光参量振荡腔110。

以自旋输入模块100接收的一组光信号为光信号组B，光信号组B中的光信号分别为B₁、B₂、B₃、……B_N，光信号数量等于N为例，自旋输入模块100包括N个光参量振荡腔110(optical parametric oscillator)，每个光参量振荡腔110可以接收光信号组B中的一个光信号，这样，N个光参量振荡腔110可以接收光信号组B中的N个光信号。使得自旋输入模块100对光信号组B的N个光信号可以并行处理，能够较好的提升信号处理效率。

其中，光参量振荡腔110(也称为光参量振荡器)是一种能够基于光信号频率进行振荡的参量振荡器。光参量振荡腔110可以将输入到光参量振荡腔110的光信号通过非线性的光学相互作用产生新的光信号。

在本申请实施例中，自旋输入模块100在接收到光信号组B时，还会接收来自反馈导入模块300传输的反馈信号组fA。反馈导入模块300可以将反馈信号组fA中的多个反馈信号分别输入到自旋输入模块100中的每一个光参量振荡腔110中，每个光参量振荡腔110接收一个反馈信号。也就是说，输入到自旋输入模块100中的一个光参量振荡腔110的信号包括光信号组B中的一个光信号、以及反馈信号组fA中的一个反馈信号。光参量振荡腔110内光信号和反馈信号之间相互作用，产生一个自旋信号组F中的一个自旋信号。

需理解的是，由于光参量振荡腔110内一个光信号、以及反馈信号组fA中的一个反馈信号需要相互作用，因此，需要光参量振荡腔110接收光信号时间和接收反馈信号的时间有重叠。为了保证该光信号和该反馈信号能够给在光参量振荡腔110中相互作用，可以通过调整反馈导入模块300中光信号的传输的路径长度、泵浦源产生光信号的周期，从而使得该光信号和该反馈信号能在设定的时间段内同时进入光参量振荡腔110。

如图4所示，为光参量振荡腔110的结构示意图，其中包括两个布拉格反射区和一个参量振荡区域，布拉格反射区位于参量振荡区域两端。两个布拉格反射区形成谐振腔，反馈信号在进入到光参量振荡腔110后，在两个布拉格反射区之间来回传输，进行振荡；而光信号耦合输入至参量振荡区域，与反馈信号产生非线性作用，之后光信号再从参量振荡区域耦合滤出，滤出后，光参量振荡腔110中遗留的光信号即为自旋信号。在本申请实施例中，由于光参考振荡腔输出的光信号的相位可以对应一种自旋状态，故而将光参量振荡器输出的光信号称为自旋信号。

应需理解的是，此处仍以自旋输入模块100接收的一组信号包括N个光信号为例进行说明，对于自旋输入模块100接收的一组信号包括N个电信号的情况与自旋输入模块100接收的一组信号包括N个光信号的情况类似，区别在于自旋输入模块100接收的一组信号包括N个电信号时，自旋输入模块100需要先将该N个电信号转换为N个光信号。对于该N个光信号的处理过程与自旋输入模块100接收的一组信号包括N个光信号时，处理N个光信号的方式相同。具体到自旋输入模块100内部，每个光参量振荡器接收该组电信号中的一个电信号，并将该电信号转换为一个光信号，之后每个光参量振荡器根据转换后的光信号以及接收的一个反馈信号产生一个自旋信号，每个光参量振荡器根据转换后的光信号以及接收的一个反馈信号产生一个自旋信号的方式与以自旋输入模块100接收的一组信号包括N个光信号时，每个光参量振荡器根据接收的一个光信号以及一个反馈信号产生一个自旋信号的方式相同。

(二)、全光反馈网络200。

在本申请实施例中，全光反馈网络200能够对同时接收到的多个光信号进行处理，在全光反馈网络200能够在内部将多个光信号转换为一个光信号矩阵，调制器件可以根据第一数据对该光信号矩阵进行处理，生成反馈信号矩阵，再将反馈信号矩阵转换为多个反馈信号。全光反馈网络200对光信号的处理过程中所处理的信号均是光信号，不需要进行光电转换，能够加快光信号的处理速度，有利于提高整个全光反馈网络的处理效率。

下面结合附图，对本申请实施例提供的一种全光反馈网络进行说明，参见图5，全光反馈网络200包括分光模块210、调制器件220和合光模块230。

分光模块210可以将一维的、包括N个自旋信号的一组自旋信号(为方便说明，一组自旋信号也可以称为自旋信号组)转换为二维光信号矩阵，合光模块230可以将二维反馈信号矩阵转换为包括N个反馈信号的一组反馈信号(为方便说明，一组反馈信号也可以称为反馈信号组)，也就是说，分光模块210可以增加信号维度，便于后续调制器件220进行处理，合光模块230可以缩小信号维度，便于将一组反馈信号输出。

调制器件220上调制有第一数据，该第一数据作用在二维光信号矩阵中，可以产生反馈信号矩阵。

需要说明的是，在本申请实施例中涉及到信号矩阵(如光信号矩阵以及反馈信号矩阵)为N*N个光信号构成的矩阵。

下面以分光模块210接收的一组自旋信号为自旋信号组E(该自旋信号组E中多个自旋信号，分别为E₁、E₂、E₃……E_N)为例，对分光模块210将一维的一组自旋信号转换为二维光信号矩阵的方式进行说明。

分光模块210包括第一微透镜阵列211和第一柱面镜212，该第一微透镜阵211列包括多个并列的凸透镜。

分光模块210在接收到自旋信号组E后，第一微透镜阵列211可以先对自旋信号组E中各个自旋信号进行整形准直，使得自旋信号组E中的各个自旋信号平行传输，不会发生串扰。

第一柱面镜212在自旋信号的传输平面上，对各个平行的自旋信号进行分光，每个自旋信号分为N个相同的自旋信号，N个自旋信号经过分光形成N列自旋信号，每列自旋信号包括N个自旋信号，每列的N个自旋信号相同，形成N*N的光信号矩阵。

下面结合图示进行说，如图6A为在一个XY平面上，分光模块210对自旋信号组E的处理流程图。自旋信号组E中的各个自旋信号(E₁、E₂、E₃……E_N)经过由凸透镜构成的第一微透镜阵列211进行准直，形成平行的N个自旋信号；在经过柱面镜后形成N列自旋信号。每列自旋信号构成的平面垂直于XY平面，平行于YZ平面。

如图6B所示，为YZ平面上分光模块210对一个自旋信号的处理流程图。

自旋信号组E中的一个自旋信号(以E₁为例)经过由凸透镜构成的第一微镜阵列211进行准直；在经过第一柱面镜212后形成N个自旋信号E₁。

如图7为分光模块210产生的光信号矩阵，该光信号矩阵大小为N*N，每列的光信号与自旋信号组E中的一个自旋信号相同。

下面以调制器件220接收到如图7所示的光信号矩阵产生反馈信号矩阵为例，对调制器件220进行的信号处理过程进行说明。第一数据可以抽象为一个二维矩阵，调制器件220对信号的处理过程可以抽象为矩阵运算，利用分光模块210产生的光信号矩阵与该二维矩阵作用生成反馈信号矩阵。

调制器件220可以为空间光调制器(spatial light modulator，SLM)，空间光调制器中包括多个独立的调制器，这些独立的调制器在空间上可以排列成二维阵列，每个独立的调制器可以接收光信号，对接收的光信号进行调制，对光信号的相位或强度进行调节。每个独立的调制器对光信号的相位或强度的调整参数为二维作用矩阵中的一个元素。

空间光调制器中的每个独立的调制器接收一个光信号，多个独立的调制器可接收多个光信号，这样，空间光调制器可以对接收到的多个光信号同时进行调制。当如图7所示的光信号矩阵投射到空间光调制器中，空间光调制器中每个独立的调制器接收光信号矩阵中的一个光信号，不同独立的调制器接收光信号矩阵中不同位置的光信号。

调制器件220也可以是数字微镜阵列(digital micromirror device，DMD)。数字微镜阵列中包括多个反射镜，这些独立的反射镜在空间上可以排列成二维阵列，每个反射镜可以投射到该反射镜上的光信号的传输方向进行调制，改变光信号的强度。每个反射镜对光信号的传输方向的调整参数为二维作用矩阵中的一个元素。

数字微镜阵列中的每个反射镜可以调整一个光信号的传输方向，多个反射镜可接收多个光信号，这样，数字微镜阵列可以对接收到的多个光信号同时进行传输方向的调整。当如图7所示的光信号矩阵投射到数字微镜阵列中，数字微镜阵列中每个反射镜调整光信号矩阵中的一个光信号的传输方向，不同反射镜调整光信号矩阵中不同位置的光信号。

如图8所示，调制器件220对信号的处理过程，光信号矩阵与该二维矩阵可生成反馈信号矩阵。

光信号矩阵的一个光信号与二维矩阵对应位置的元素作用后生成反馈信号矩阵中的对应位置的光信号。例如，光信号矩阵中第一行光信号E₁与二维矩阵中第一行第一列的元素a_1.1作用，产生反馈信号矩阵中的对应位置的信号a_1.1E₁。

下面以合光模块230输出反馈信号组fA为例，对合光模块230将二维反馈信号矩阵转换为N个反馈信号的方式进行说明。

如图9为合光模块230从全光反馈网络200接收的反馈信号矩阵，该反馈信号矩阵大小为N*N，矩阵中的一个光信号可以看做是自旋信号组E中的一个自旋信号与二维矩阵中的一个元素的乘积。

合光模块230包括第二微透镜阵列231和第二柱面镜232，该第二微透镜阵231列包括多个并列的凸透镜。

合光模块230在接收到反馈信号矩阵后，第二柱面镜232可以将该反馈信号矩阵中每列信号合束为一个反馈信号，对于N*N列的反馈信号矩阵，可经过合束后，形成N个反馈信号，反馈信号矩阵中一列的信号合并后可以生成一个反馈信号，也就是说，反馈信号fA₁＝∑_1<i<N a_i.1E₁，反馈信号fA₂＝∑_1<i<N a_i.2E₂，反馈信号fA₃＝∑_1<i<N a_i.3E₃，反馈信号fA_N＝∑_1<i<N a_i.N E_N。

之后，第二微透镜阵列231可以对N个反馈信号中各个反馈信号进行聚焦，使得反馈信号组fA中的各个反馈信号平行传输，不会发生串扰，能够直接传输至反馈导入模块300。

下面结合图示进行说明，如图10A为在一个XY平面上，合光模块230对反馈信号矩阵的处理流程图。反馈信号矩阵中N列反馈信号在经过第二柱面镜232后形成N个反馈信号；N个反馈信号经过第二微镜阵列231进行准直，形成平行的N个反馈信号。

如图10B所示，为YX平面上合光模块230对反馈信号矩阵中的一列信号的处理流程图。该列反馈信号在经过第二柱面镜232后进行合束，形成一个反馈信号，之后再经过第二微镜阵列231进行准直。

(3)、反馈导入模块300。

反馈导入模块300可以包括N个光纤，每个光纤可以传输一个反馈信号，每个光纤可以将一个反馈信号传输至自旋输入模块100，例如，每个光纤可以连接自旋输入模块100中的一个光参量振荡器。

反馈导入模块300也可以包括光纤合束器和一个光纤，该光纤合束器可以将N个反馈信号合束为一个时域上的信号，之后通过光纤将该合束后的信号发送给自旋输入模块100。当自旋输入模块100接收到该合术后的信号后，需要将该合术后的信号分光为N个反馈信号，这样，自旋输入模块100可以根据N个反馈信号与新接收到的N个光信号产生一组新的自旋信号。

反馈导入模块300可以位于合光模块的焦平面上，便于反馈导入模块300可以接收到n个反馈信号。

综合前述实施例，下面对本申请实施例提供的一种光计算设备进行说明，参见图11，该光计算设备10包括自旋输入模块100、全光反馈网络200、反馈导入模块300以及探测器阵列400。

自旋输入模块100能够接收N个光信号(和N个反馈信号)，并产生N个自旋信号。具体到自旋输入模块100的结构，自旋输入模块100包括N个并行的光参量振荡腔110，每个光参量振荡腔110接收一个光信号和一个反馈信号，并产生一个自旋信号。

全光反馈网络200利用调制有第一数据的调制器件，根据N个自旋信号产生N个反馈信号。具体到全光反馈网络200的结构，全光反馈网络200包括分光模块210、调制器件220和合光模块230。分光模块210能够给将N个自旋信号转换为一个包括N*N个光信号的光信号矩阵。分光模块210包括第一微透镜阵列211和第一柱面镜212。调制器件220能够基于第一数据将光信号矩阵转换为反馈信号矩阵。调制器件220可以是SLM或DMD。合光模块230可以将反馈信号矩阵转换为N个反馈信号。合光模块230包括第二微透镜阵列231和第二柱面镜232。

反馈导入模块300可以将N个反馈信号传输至自旋输入模块100，反馈导入模块300可以包括N个光纤310，每个光纤310可以连接自旋输入模块100中的一个光参量振荡器110，将一个反馈信号传输至所连接的光参量振荡器110。

探测器阵列400中可以包括N个探测器410，每个探测器410连接自旋输入模块100中的一个光参量振荡器110，每个探测器连接的光参量振荡器不同，每个探测器可以对连接的光参量振荡器产生的自旋信号的相位进行检测，当探测器阵列400探测到自旋输入模块100输出的各个自旋信号的相位坍缩到0或者π，根据该组自旋信号确定最终的计算结果。

为了使方案描述更加清楚，下面将结合前面的实施例，以如图11所示的光计算设备和图12所示的计算方法为例，对本发明实施例中提供的光计算设备的工作流程进行概括介绍。需要说明的是，下面的工作流程的介绍也同样适用于前面描述的所有光计算设备。在工作过程中，自旋输入模块100可以根据接收的一组信号生成包括有n个光信号的一组自旋信号，之后将该组自旋信号发送给全光反馈网络200中的分光模块210，分光模块210接收该组自旋信号后，可以将该组自旋信号转换为包括n*n个光信号的光信号矩阵，之后分光模块210可以将该光信号矩阵发送给调制器件220。调制器件220接收到该光信号矩阵之后，可以根据该光信号矩阵和预设的第一数据生成反馈信号矩阵，该反馈信号矩阵中包括n*n个光信号；调制器件220之后将该反馈信号矩阵发送给合光模块230，合光模块230在接收到该反馈信号矩阵之后，可以将该反馈信号矩阵转换为包括n个反馈信号的一组反馈信号，反馈导入模块300之后将该组反馈信号发送给自旋输入模块100。

需要说明的是，本申请所提供的实施例仅仅是示意性的。所属领域的技术人员可以清楚的了解到，为了描述的方便和简洁，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。在本发明实施例、权利要求以及附图中揭示的特征可以独立存在也可以组合存在。在本发明实施例中以硬件形式描述的特征可以通过软件来执行，反之亦然。在此不做限定。

Claims (15)

1.一种光计算设备，其特征在于，包括：

自旋输入模块，用于根据接收的第一组信号产生第一组自旋信号，所述第一组自旋信号包括N个自旋信号，其中，N为不小于2的整数，每个自旋信号为光信号；

全光反馈网络，连接所述自旋输入阵列并用于：

接收所述第一组自旋信号；

通过调制有第一数据的调制器件对所述第一组自旋信号进行处理，生成第一组反馈信号，所述第一组反馈信号包括N个反馈信号，其中，每个反馈信号为光信号；

反馈导入模块，连接所述全光反馈网络和所述自旋输入模块并用于：

接收所述第一组反馈信号；

将所述第一组反馈信号传输至所述自旋输入模块。

2.如权利要求1所述的光计算设备，其特征在于，所述全光反馈网络包括：

分光模块，用于接收所述第一组自旋信号，将所述第一组自旋信号转换为光信号矩阵，其中，所述光信号矩阵中包括N*N个光信号；

调制器件，用于根据所述第一数据以及所述光信号矩阵生成反馈信号矩阵，所述反馈信号矩阵中包括N*N个光信号，其中，所述调制器件上调制有所述第一数据；

合光模块，用于将所述反馈信号矩阵转换为所述第一组反馈信号。

3.如权利要求2所述的光计算设备，其特征在于，所述分光模块包括：

第一微透镜阵列，用于对所述第一组自旋信号进行准直；

所述第一柱面镜，用于将准直后的每个自旋信号分成N个光信号，其中，所述N个自旋信号分成的N*N个光信号构成所述光信号矩阵。

4.如权利要求2或3所述的光计算设备，其特征在于，所述调制器件包括空间光调制器，

所述空间光调制器，用于基于调制的所述第一数据调整所述光信号矩阵中的每个光信号的透过率，生成所述反馈信号矩阵。

5.如权利要求2或3所述的光计算设备，其特征在于，所述调制器件包括数字微镜阵列，

所述数字微镜阵列用于基于所述第一数据调整所述光信号矩阵中的每个光信号的传输方向，生成所述反馈信号矩阵。

6.如权利要求2～5任一所述的光计算设备，其特征在于，所述合光模块包括：

第二柱面镜，用于将反馈信号矩阵中的N*N个光信号合并为所述第一组反馈信号，其中，所述反馈信号矩阵中的每一列光信号被合成为所述第一组反馈信号中的一个反馈信号；

第二微透镜阵列，用于对所述第一组反馈信号进行聚焦。

7.如权利要求1所述的光计算设备，其特征在于，所述自旋输入模块接收的第一组信号包括多个光信号或多个电信号。

8.如权利要求7所述的光计算设备，其特征在于，所述自旋输入模块包括N个光参量振荡器，其中，每个光参量振荡器用于接收所述第一组信号中的一个光信号或一个电信号，并根据接收的所述一个光信号或一个电信号产生所述一个自旋信号。

9.如权利要求1所述的光计算设备，其特征在于，所述反馈导入模块包括N个光纤，每个光纤用于将所述第一组反馈信号中的一个反馈信号传输至所述自旋输入模块。

10.如权利要求1所述的光计算设备，其特征在于，所述反馈导入模块包括合束器和光纤，所述合束器用于将所述第一组反馈信号合束为一个光信号，所述光纤用于将合束后的一个光信号传输至所述自旋输入模块。

11.如权利要求1所述的光计算设备，其特征在于，

所述自旋输入模块，还用于根据第二组信号和所述第一组反馈信号产生第二组自旋信号，所述第二组光信号包括N个光信号，所述第二组自旋信号包括N个自旋信号，其中，N为不小于2的整数，每个自旋信号为光信号；

所述全光反馈网络，还用于：

接收所述第二组自旋信号；

通过调制有所述第一数据的调制器件对所述第二组自旋信号进行处理，生成第二组反馈信号，所述第二组反馈信号包括N个反馈信号，其中，每个反馈信号为光信号；

所述反馈导入模块，还用于：

接收所述第二组反馈信号；

将所述第二组反馈信号传输至所述自旋输入模块。

12.如权利要求11所述的光计算设备，其特征在于，所述光计算设备还包括探测器阵列，所述探测器阵列用于探测所述自旋输入模块输出的所述第二组自旋信号的相位，

当所述第二组自旋信号的相位为预设值时，根据所述第二组自旋信号获得所述第一数据的计算结果。

13.一种光信号处理方法，其特征在于，该方法由光计算设备执行，该光计算设备包括自旋输入模块、全光反馈网络以及反馈导入模块；

自旋输入模块根据第一组信号产生第一组自旋信号，所述第一组自旋信号包括N个自旋信号，其中，N为不小于2的整数，每个自旋信号为光信号；

全光反馈网络接收所述第一组自旋信号，通过调制有第一数据的调制器件对所述N个自旋信号进行处理，生成第一组反馈信号，所述第一组反馈信号包括N个反馈信号，其中，每个反馈信号为光信号；

反馈导入模块将所述第一组反馈信号传输至所述自旋输入模块。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述全光反馈网络接收所述第一组自旋信号，通过调制有第一数据的调制器件对所述N个自旋信号进行处理，生成第一组反馈信号，包括：

全光反馈网络中的分光模块接收所述第一组自旋信号，将所述第一组自旋信号转换为光信号矩阵，其中，所述光信号矩阵中包括N*N个光信号；

全光反馈网络中的调制器件根据所述第一数据以及所述光信号矩阵生成反馈信号矩阵，所述反馈信号矩阵中包括N*N个光信号，其中，所述调制器件上调制有所述第一数据；

全光反馈网络中的合光模块将所述反馈信号矩阵转换为第一组反馈信号。

15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

所述自旋输入模块根据第二组信号和所述第一组反馈信号产生第二组自旋信号，所述第二组自旋信号包括N个自旋信号，其中，N为不小于2的整数，每个自旋信号为光信号；

所述全光反馈网络接收所述第二组自旋信号，通过调制有第一数据的调制器件对所述第二组自旋信号进行处理，生成第二组反馈信号，所述第二组反馈信号包括N个反馈信号，其中，每个反馈信号为光信号；

所述反馈导入模块接收所述第二组反馈信号，将所述第二组反馈信号传输至所述自旋输入模块。

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