CN112883534A - 一种光计算设备以及光信号处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种光计算设备以及光信号处理方法，该光计算设备包括参量振荡阵列、与该参量振荡阵列连接的相互作用计算矩阵、连接在该参量振荡阵列的两端的第一反馈模块和连接该参量振荡阵列和该相互作用计算阵列的第二反馈模块。其中，参量振荡阵列，用于接收第一组信号，并根据接收的该第一组信号生成包括多个第一光信号的第一组光信号；相互作用计算阵列，用于接收该第一组光信号，并根据预设的矩阵，对该第一组光信号进行矩阵运算，获得包括多个第二光信号的第二组光信号；第一反馈模块，用于接收该第一组光信号，并将该第一组光信号传输至该参量振荡阵列；第二反馈模块，用于接收该第二组光信号，并将该第二组光信号传输至该参量振荡阵列。

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
复杂系统的分析和优化等非确定性多项式时间困难(non-deterministicpolynomial hard，NP-hard)问题，可以映射为伊辛模型，并通过光伊辛机对该伊辛模型进行模拟求解，从而得到该NP-hard问题的解。
光伊辛机利用多个光信号构成的格点网络来模拟求解伊辛模型。目前，光伊辛机的一种实现方式是通过光纤系统来实现，具体为：串行输入光伊辛机计算所需的所有的输入光信号，然后将该所有的输入光信号在光纤腔内进行循环，并耦合出小部分输入光信号在现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)中进行矩阵运算，模拟伊辛模型中各个节点之间的耦合作用，并将运算结果反馈至光伊辛机的输入端，从而与所有的输入光信号进行相互作用，作为下一次的输入光信号，反复执行上述过程，最终获取光伊辛机的最优解。
由于上述光伊辛机中输入了计算所需的所有的输入光信号，因此，通过上述光伊辛机获取的最优解为全局最优解，而不是局部最优解，从而可以保证光伊辛机的计算精度。但是，上述光伊辛机中，输入光信号是串行运行的，当伊辛模型中的节点数量较多时，需要引入较多的输入光信号，从而会增大输入光信号在光伊辛机中的传输时间，导致运算时间大大增加，限制了光伊辛机的运算效率。
因此，如何在保证计算精度的前提下，提高光伊辛机的运算效率，是目前亟待解决的问题。
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，用以提供一种高计算精度且高运算效率的光伊辛机。
第一方面，提供一种光计算设备，该光计算设备包括参量振荡阵列、与该参量振荡阵列连接的相互作用计算矩阵、连接在该参量振荡阵列的两端的第一反馈模块和连接该参量振荡阵列和该相互作用计算阵列的第二反馈模块。该光计算设备的工作原理如下：
参量振荡阵列，用于接收第一组信号，并根据接收的该第一组信号生成包括多个第一光信号的第一组光信号；相互作用计算阵列，用于接收该第一组光信号，并根据预设的矩阵，对该第一组光信号进行矩阵运算，获得包括多个第二光信号的第二组光信号；第一反馈模块，用于接收该第一组光信号，并将该第一组光信号传输至该参量振荡阵列；第二反馈模块，用于接收该第二组光信号，并将该第二组光信号传输至该参量振荡阵列。
在上述光计算设备中，由于参量振荡阵列和相互作用计算矩阵对一组光信号包括的多个光信号的处理过程是并行的，因此，即使在伊辛模型中的节点数量较多时，需要引入较多的输入光信号时，也不会增加光计算设备的运算时间。
进一步，将参量振荡阵列生成的光信号反馈至参量振荡阵列，以进行下一次计算，可以增加参量振荡阵列生成的光信号的状态，使得光计算设备能够获取计算所需的所有可能状态的输入光信号，从而可以避免光计算设备获取的不是局部最优解，即采用硬件退火方式提高了光计算设备的计算精度。
在一种可能的设计中，该参量振荡阵列还用于：接收该第一组光信号以及该第二组光信号，以及，根据该第一组信号、该第一组光信号以及该第二组光信号，输出第三组光信号。相互作用计算阵列还用于：接收所述第三组光信号，根据所述预设的矩阵，对所述第三组光信号进行矩阵运算，获得第四组光信号。第一反馈模块还用于：接收所述第三组光信号，并将所述第三组光信号传输至所述参量振荡阵列。第二反馈模块还用于：接收所述第四组光信号，并将所述第四组光信号传输至所述参量振荡阵列。
上述光计算设备中，当参量振荡阵列接收到由第一反馈模块和第二反馈模块传输的光信号后，则可以结合第一组信号以及由第一反馈模块和第二反馈模块传输的光信号，生成用于计算的输入信号。
在一种可能的设计中，所述参量振荡阵列包括多个参量振荡器，所述参量振荡器包括第一波导和第二波导，所述第一波导和所述第二波导的材料不同，所述第一波导的材料包括具有非线性效应的材料。
在上述光计算设备中，参量振荡阵列中的参量振荡器可以通过波导集成，可以使得光计算设备的结构更加紧凑。且，第一波导为具有非线性效应的波导，例如，可以为具有二阶非线性的铌酸锂波导或者钽酸锂波导等；第二波导可以是具有低传输损耗的特性的波导，例如，可以是氮化硅波导等，也可以是硅、二氧化硅等。通过第一波导的非线性效应可以产生压缩态的光信号，该压缩态的光信号可以理解为计算所需的所有可能状态的输入光信号，且，将产生的压缩态的光信号经具有低传输损耗特性的第二波导进行传输，从而可以避免光计算设备获取的不是局部最优解，通过异质集成的方式结合了不同波导材料的特性优势，可以保证该光计算设备的计算精度。
在一种可能的设计中，该第二波导的材料包括传输损耗低于阈值的材料。
这样，可以减少光信号在第二波导中传输时的损耗，保证光信号的准确性。
在一种可能的设计中，该相互作用计算阵列包括多个级联的马赫-曾德尔MZ干涉单元，每个MZ干涉单元包括多个马赫-曾德尔干涉仪MZI和分束器，每个MZI包括介电常数的调整速度小于阈值的波导，该波导用于调整对应的MZI的相位参数。
由于马赫-曾德尔干涉单元尺寸较小，因此，能够形成具备紧凑结构的光计算设备，进一步，使得该光计算设备可以在片上实现，可以保证系统的稳定性。且，使用介电常数的调整速度小于阈值特性的材料形成的MZI，能够较快地加载和刷新其相位参数，从而可以保证光计算设备的运算效率。
在一种可能的设计中，同一个MZ干涉单元包括的多个MZI中的波导的材料不同。
通过异质集成的方式形成的MZI能够快速加载和刷新其相位参数，从而可以相互作用矩阵的快速加载和刷新，从而可以进一步提高光计算设备的运算效率。
在一种可能的设计中，所述参量振荡器还包括：连接所述参量振荡器、所述第一反馈模块以及所述相互作用计算阵列的分光器，该分光器用于：接收所述第一组光信号中的一个光信号，以及，按照预设的分光比例，将所述光信号分为第一部分光信号和第二部分光信号，并将所述第一部分光信号传输至所述第一反馈模块，以及，将所述第二部分光信号传输至所述相互作用计算矩阵。
通过分光器可以灵活控制传输至第一反馈模块和相互作用计算矩阵中光信号的能量，增加系统的灵活性。
在一种可能的设计中，所述参量振荡器还包括，连接所述参量振荡器、所述第一反馈模块以及所述第二反馈模块的合束器，该合束器用于将所述第一组光信号的一个光信号和所述第二组光信号的一个光信号合束为一个光信号，并将合束后的一个光信号传输至所述参量振荡器。
通过合束器将多个信号合束为一个信号之后在进行处理，可以减少参量振荡器的计算量。
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，所述光计算设备包括参量振荡阵列、相互作用计算阵列、第一反馈模块以及第二反馈模块，所述方法包括：所述参量振荡阵列接收第一组信号，以及根据所述第一组信号生成第一组光信号，所述第一组光信号包括多个第一光信号；所述相互作用计算阵列接收所述第一组光信号，并根据预设的矩阵，对所述第一组光信号进行矩阵运算，获得第二组光信号，所述第二组光信号包括多个第二光信号；所述第一反馈模块接收所述第一组光信号，并将所述第一组光信号传输至所述参量振荡阵列；所述第二反馈模块接收所述第二组光信号，并将所述第二组光信号传输至所述参量振荡阵列。
在一种可能的设计中，所述参量振荡阵列接收所述第一组光信号以及所述第二组光信号，并根据所述第一组信号、所述第一组光信号以及所述第二组光信号，输出第三组光信号；所述相互作用计算阵列接收所述第三组光信号，根据所述预设的矩阵，对所述第三组光信号进行矩阵运算，获得第四组光信号；所述第一反馈模块接收所述第三组光信号，并将所述第三组光信号传输至所述参量振荡阵列；所述第二反馈模块接收所述第四组光信号，并将所述第四组光信号传输至所述参量振荡阵列。
在一种可能的设计中，所述参量振荡阵列包括多个参量振荡器，每个参量振荡器接收所述第一组光信号中的一个第一光信号，并按照预设的分光比例，将所述第一光信号分为第一部分光信号和第二部分光信号；所述每个参量振荡器将所述第一部分光信号传输至所述第一反馈模块，以及，将所述第二部分光信号传输至所述相互作用计算矩阵。
在一种可能的设计中，所述参量振荡阵列包括多个参量振荡器，每个参量振荡器将所述第一组光信号的一个第一光信号和所述第二组光信号的一个第二光信号合束为一个光信号，并将合束后的一个光信号传输至所述参量振荡器。
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为本申请实施例提供的光计算设备10的一种示例的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的参量振荡阵列100的一种示例的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的光参量振荡器的一种示例的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的光参量振荡区域的一种示例的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的相互作用计算矩阵200的一种示例的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的MZIU的一种示例的结构示意图；
图7为本申请实施例提供的MZIU的另一种示例的结构示意图；
图8为本申请实施例中在参量振荡器110与相互作用计算矩阵200之间设置分光器的一种示例的结构示意图；
图9为本申请实施例中在参量振荡器110与第二反馈模块400之间设置合束器的一种示例的结构示意图；
图10为本申请实施例提供的一种光信号的处理方法的流程图。
具体实施方式
为了使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例作进一步地详细描述。
本申请实施例中“多个”是指两个或两个以上，鉴于此，本申请实施例中也可以将“多个”理解为“至少两个”。“至少一个”，可理解为一个或多个，例如理解为一个、两个或更多个。例如，包括至少一个，是指包括一个、两个或更多个，而且不限制包括的是哪几个，例如，包括A、B和C中的至少一个，那么包括的可以是A、B、C、A和B、A和C、B和C、或A和B和C。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，字符“/”，如无特殊说明，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
除非有相反的说明，本申请实施例提及“第一”、“第二”等序数词用于对多个对象进行区分，不用于限定多个对象的顺序、时序、优先级或者重要程度。
本申请提供一种光计算设备以及光信号处理方法，用以提供一种高计算精度且高运算效率的光伊辛机。
请参考图1，为本申请实施例提供的光计算设备10的一种示例的结构图。如图1所示，光计算设备10包括参量振荡阵列100、相互作用计算阵列200、第一反馈模块300以及第二反馈模块400。其中，参量振荡阵列100包括第一输入端和第一输出端，相互作用计算矩阵200包括第二输入端和第二输出端，参量振荡阵列100的第一输出端与相互作用计算阵列200的第二输入端连接，相互作用计算阵列200的第二输出端通过第二反馈模块400与参量振荡阵列100的第一输入端连接，第一反馈模块300连接在参量振荡阵列100的两端。
参量振荡阵列100能够接收第一组信号，以及根据接收的第一组信号生成第一组光信号，该第一组光信号包括至少一个第一光信号。
在本申请实施例中，该第一组信号可以包括光信号，例如光脉冲；或者，该第一组信号也可以是电信号，例如电脉冲。该第一组信号中可以包括一个光信号或者一个电信号，也可以包括多个光信号或者多个电信号，在此不对第一组信号的信号类型以及数量进行限制。需要说明的是，当参量振荡阵列100接收到的第一组信号为电信号时，参量振荡阵列100可以将接收到的电信号转换为光信号，然后在根据转换的光信号生成第一组光信号。
作为一种示例，该第一组信号可以是由泵浦源发送的，例如，泵浦源可以周期性产生一组信号，该组信号中包括的多个光信号或电信号可以相同，也可以不同，该组信号中的多个光信号或者电信号同时到达参量振荡阵列100。该第一组信号可以为泵浦源周期性产生的任意一组信号。当然，该第一组信号也可以是通过其他方式生成的，在此不对第一组信号的来源进行限制。
相互作用计算矩阵200中可以预先加载用于计算的预设的矩阵，在接收到由参量振荡阵列100生成的第一组光信号后，则根据该预设的矩阵，对该第一组光信号进行矩阵运算，该预设的矩阵可以用来调整第一组光信号的相位或者幅度等参数，从而得到第二组光信号。
需要说明的是，第一组光信号和第二组光信号中包括的光信号的数量可以是相同的，例如，第一组光信号中包括N个光信号，则第二组光信号中也包括N个光信号，在这种情况下，第一组光信号中的光信号和第二组光信号中的光信号是一一对应的关系；或者，第一组光信号和第二组光信号中包括的光信号的数量也可以是不同的，例如，第一组光信号中包括N个光信号，而第二组光信号中包括M个光信号，M、N均为正整数，且M与N不相等。
第一反馈模块300用于在接收到由参量振荡阵列100产生的第一组光信号之后，将第一组光信号传输至参量振荡阵列100的第一输入端。第二反馈模块400用于在接收到由相互作用计算矩阵200产生的第二组光信号之后，将所述第二组光信号传输至参量振荡阵列100的第一输入端。
可以理解为，参量振荡阵列100还用于接收该第一组光信号和第二组光信号，这样，在后续处理过程中，参量振荡阵列100则根据该第一组信号、由第一反馈模块300反馈的第一组光信号和由第二反馈模块400反馈的第二组光信号，输出第三组光信号。相互作用计算阵列200还用于，接收该第三组光信号，并根据该预设的矩阵，对该第三组光信号进行矩阵运算，获得第四组光信号。第一反馈模块300还用于，接收该第三组光信号，并将该第三组光信号传输至参量振荡阵列100的第一输入端。第二反馈模块400还用于，接收该第四组光信号，并将该第四组光信号传输至参量振荡阵列100，重复上述处理过程，在进行多次处理后，则得到该光计算设备10的最优解。
前述内容对光计算设备10的各个模块的功能进行了概述，下面将对各个模块进行详细介绍。
1、参量振荡阵列100。
参量振荡阵列100包括多个并行的参量振荡器110，其中，该多个参量振荡器110的数量可以与参量振荡阵列100接收的第一组信号中包括的光信号或者电信号的数量相同；或者，由于参量振荡阵列100还用于接收第一组光信号和第二组光信号，则该多个参量振荡器110的数量也可以与第一组光信号或者第二组光信号中包括的光信号的数量相同。若第一组信号中包括的光信号或电信号的数量、第一组光信号中包括的光信号的数量，以及第二组光信号中包括的光信号的数量各不相同，则该多个参量振荡器110的数量可以为该三组信号中包括的光信号或者电信号的数量的最大值。为方便说明，下文中，以该三组信号中包括的光信号或者电信号的数量相同为例。
该多个并行的参量振荡器110中的每一个参量振荡器110用于接收该第一组信号中的其中一个信号，和/或，用于接收第一反馈模块300反馈的第一组光信号中的一个光信号，和/或，用于接收第二反馈模块400反馈的第二组光信号中的一个光信号。
请参考图2，以参量振荡阵列100包括N个并行的参量振荡器110，第一组信号为包括光信号A1、A2、A3……AN的光信号组A，第一组光信号为包括光信号B1、B2、B3……BN光信号组B，第二组光信号为包括光信号C1、C2、C3……CN的光信号组C为例，则第一个参量振荡器110则用于接收光信号A1、B1以及C1，以及，根据光信号A1、B1以及C1生成第三组光信号中的一个光信号，标记为光信号D1，第二个参量振荡器110则用于接收光信号A2、B2以及C2，并根据光信号A2、B2以及C2生成第三组光信号中的另一个光信号，标记为光信号D2，以此类推。由于每个参量振荡器110都可以独立处理其接收到的光信号，从而可以实现并行处理接收到的一组光信号中的多个光信号，从而可以提升光计算设备10的运算效率。
在本申请实施例中，该参量振荡器110可以是光参量振荡器，例如，为光泵浦的光参量振荡器或者电泵浦的光参量振荡腔110，可以是激光器振荡器或者克尔振荡器或者极化子等，也可以是能够基于光信号频率进行振荡的任意一种参量振荡器，在此不作限制。
作为一种示例，当该参量振荡器110为光参量振荡器时，该光参量振荡器可以是通过非线性的光学相互作用产生新的光信号。请参考图3，为本申请实施例中提供的光参量振荡器的一种示例的结构示意图。如图3所示，该光参量振荡器包括两个布拉格反射区和一个光参量振荡区域，布拉格反射区位于光参量振荡区域两端。两个布拉格反射区形成谐振腔，光参量振荡器接收到的光信号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光参量振荡区域，分别与第一反馈模块300和第二反馈模块400传输的光信号产生非线性作用，经非线性作用之后的光信号再从光参量振荡区域耦合滤出，滤出后，光参量振荡器中遗留的光信号即为参量振荡阵列100输出的一组光信号，例如为如前所述的第一组光信号或者第三组光信号。
下面，对光参量振荡器110中的光参量振荡区域进行说明。
请参考图4，为本申请实施例提供的光参量振荡区域的一种示例的结构示意图。图4为光参量振荡区域在世界坐标系的XZ平面的剖面图，如图4所示，光参量振荡区域包括两种波导，分别为第一波导和第二波导，第一波导集成在第二波导之上，第一波导为具有非线性效应的波导。下面，针对光参量振荡器所接收的信号的不同，对第一波导和第二波导的工作原理进行说明。
第一种情况，光参量振荡器根据接收的第一组信号生成第一组光信号：
以该第一组信号为泵浦光为例，泵浦光可以通过端面耦合的方式，进入该第一波导，经过该第一波导的非线性作用后，得到第一组光信号，然后，垂直耦合进入第二波导。
第二种情况，光参量振荡器根据接收的第一组信号、第一组光信号以及第二组光信号，生成第三组光信号：
继续以第一组信号为泵浦光为例，泵浦光通过端面耦合的方式进入该第一波导，第一组光信号和第二组光信号可以通过模场转换的方式，垂直耦合进入第一波导，然后泵浦光、第一组光信号和第二组光信号一起经过第一波导的非线性作用，得到第三组光信号，再垂直耦合进入第二波导。
需要说明的是，在第二种情况下，由于泵浦光、第一组光信号和第二组光信号需要一起经过第一波导的非线性作用，因此，泵浦光、第一组光信号和第二组光信号在耦合进入第一波导时，需要在时域上重叠，进而需要控制泵浦光、第一组光信号以及第二组光信号光耦合进入第一波导的时间。作为一种示例，可以通过调整第一反馈模块300和第二反馈模块400中光信号的传输的路径长度、泵浦源产生光信号的周期，从而使得该泵浦光、第一组光信号和第二组光信号均能在设定的时间段内同时进入第一波导。
在本申请实施例中，该第一波导和第二波导可以是不同材料的波导。例如，第一波导为具有非线性效应的波导，例如，可以为具有二阶非线性的铌酸锂波导或者钽酸锂波导等，也可以是具有三阶非线性的波导材料；第二波导可以是具有低传输损耗的特性的波导，具有低传输损耗特性的波导可以理解为传输损耗低于阈值的波导，例如，可以是氮化硅波导等，也可以是硅、二氧化硅等其他具有宽透射谱和低传输损耗的半导体材料。第一波导和第二波导的集成方式，可以是在第二波导材料上通过异质集成技术集成该第一波导，或者，也可以是在第一波导材料上集成该第二波导，在此不对第一波导和第二波导的具体材料以及两者的集成方式作限制。
由于上述光参量振荡区域中，通过第一波导的非线性效应可以产生压缩态的光信号，该压缩态的光信号可以理解为计算所需的所有可能状态的输入光信号，且，将产生的压缩态的光信号经具有低传输损耗特性的第二波导进行传输，从而可以避免光计算设备10获取的不是局部最优解，通过异质集成的方式结合了不同波导材料的特性优势，可以保证该光计算设备10的计算精度。
另外，由前述描述可知，上述光参量振荡器输出的光信号中还包括泵浦光，泵浦光会对相互作用计算矩阵200的运算结果产生影响，因此，为了保证光计算设备10的计算结果的准确性，还可以在每个参量振荡器后设置滤波器，该滤波器可以为窄带微环滤波器等，通过该滤波器滤除参量振荡器输出的光信号中的泵浦光。
2、相互作用计算矩阵200。
当参量振荡阵列100输出第一组光信号或第三组光信号后，则由相互作用计算矩阵200对该第一组光信号或者该第三组光信号进行矩阵运算，从而得到对应的运算结果，即与第一组光信号对应的第二组光信号，或者，与第三组光信号对应的第四组光信号。其中，相互作用计算矩阵200对第一组光信号的处理过程，与对第三组光信号的处理过程相同，下文中，以相互作用计算矩阵200对第一组光信号的处理过程为例进行说明。
作为一种示例，第一组光信号可以是包括N个光信号的一组光信号，记为f(t)，其表达式如下：
f(t)＝[f1,f2,…,fn](1)
其中，f1,f2,…,fn分别为该N个光信号对应的列向量。相互作用计算矩阵200构成了一个n*n对称矩阵，该n*n对称矩阵是与待解决的NP-hard问题相关的，例如，该n*n对称矩阵可以是将NP-hard问题进行数学抽象后得到的，该n*n对称矩阵记为J，其表达式如下：
Figure BDA0002297624360000071
该第一组光信号经过相互作用计算矩阵200运算之后，得到与该第一组光信号对应的输出信号，记为y(t)，y(t)满足如下表达式：
y(t)＝J*f＝f1J11+f2J12+….+fnJ1n(3)
请参考图5，为本申请实施例提供的相互作用计算矩阵200的一种示例的结构示意图。相互作用计算矩阵200中包括多个级联的马赫-曾德尔干涉单元(mach-zehnderinterferometer unit，MZIU)。本申请实施例中，每个MZIU可以接收两路光信号，每个MZIU用于实现输入的两路光信号之间的相互作用，该相互作用可以是输入的两路光信号的相位之间的相互作用，或者也可以是输入的两路光信号的信号幅度之间的相互作用，或者也可以是对光信号的其他参数进行相互作用，在此不作限制。为方便说明，下文中以该相互作用为对输入的两路光信号的相位进行相互作用为例。
每个MZIU可以通过MZI的相位参数控制输入的两路光信号的相位，其中，前述的n*n对称矩阵中的每一个元素对应与多个级联的MZIU中各个MZIU的相位参数，然后根据该二维矩阵设置每个MZIU的相位参数。
在图5所示的相互作用计算矩阵200中，光信号从相互作用计算矩阵200的左端输入，并从右端输出经过该相互作用计算矩阵200的计算结果。如图5所示，该多个级联的MZIU可以根据图中虚线所示的位置，分为三个部分，其中，第一部分MZIU矩阵中包括呈三角形状的多个MZIU，第二部分MZIU矩阵中包括多个斜对角级联的多个MZIU，第三部分MZIU矩阵包括呈倒三角形状的多个MZIU。在根据前述的n*n对称矩阵设置每个MZIU中的相位参数时，可以将该n*n对称矩阵分为三个子矩阵，然后将该3个子矩阵分别映射到该3部分MZIU矩阵中。当然，该n*n对称矩阵也可以采用其他方式映射到该多个级联的MZIU中，在此不作限制。
请参考图6，为本申请实施例提供的MZIU的一种示例的结构示意图。每个MZIU中包括多个马赫-曾德尔干涉仪(mach-zehnder interferometer，MZI)和分束器。在图6中，以该MZIU中包括2个MZI(分别为MZI-1和MZI-2)和2个分束器(分别为分束器1和分束器2)为例。两个分束器的下端口直接连接，每个分束器的上端口分别连接一个分束器，例如，分束器1的上端口连接MZI-1，分束器2的上端口连接MZI-2。其中，分束器的分光比例可以根据实际使用需求进行设置，作为一种示例，该分束器的分光比例可以为50/50，这样，传输到该MZIU中的光信号会被均分传输到MZI-1和下分束器2。且，可以通过MZI的相位控制器调整每个MZI的相位参数，一个MZIU中包括的多个MZI的相位参数可以相同也可以不同，具体取值根据前述的n*n对称矩阵来确定。
请参考图7，为本申请实施例提供的MZIU的另一种示例的结构示意图。每个MZIU中包括2个MZI(分别为MZI-3和MZI-4)和2个分束器(分别为分束器3和分束器4)，但是在图7所述的MZIU中MZI和分束器的连接方式与图6相反，两个分束器的上端口直接连接，每个分束器的下端口分别连接一个分束器，例如，分束器3的下端口连接MZI-3，分束器4的下端口连接MZI-4。其中MZI和分束器的设置与图6相似，在此不再赘述。
作为一种示例，如图5所示的多个级联的MZIU中，第一部分MZIU矩阵和第二部分MZIU矩阵中的MZIU的结构相同，且和第三部分MZIU矩阵中MZIU的结构不同。例如，第一部分MZIU矩阵和第二部分MZIU矩阵中的MZIU使用图6所示的MZIU的结构，而第三部分MZIU矩阵中的MZIU使用图7所示的MZIU的结构。或者，第一部分MZIU矩阵和第二部分MZIU矩阵中的MZIU使用图7所示的MZIU的结构，而第三部分MZIU矩阵中的MZIU使用图6所示的MZIU的结构，在此不作限制。
另外，在本申请实施例中，在如图6所述的MZIU中包括的2个MZI可以是通过具有动态调相特性的材料形成的，该材料可以是具有电光效应的材料，例如，铌酸锂材料、有机聚合材料等，或者，该材料也可以是具有磁光效应的材料，在此不一一列举。且，在一个MZIU中的两个MZI分别由不同的具有动态调相特性的材料形成，例如，其中一个MZI由铌酸锂材料形成，则另一个MZI则由有机聚合材料形成；或者，其中一个MZI由具有磁光效应的材料形成，另一MZI则由具有电光效应的材料形成。
由于电光效应和磁光效应可快速改变介电常数，因此，使用具有电光效应或者磁光效应特性的材料形成的MZI，能够快速加载和刷新其相位参数，从而可以相互作用矩阵的快速加载和刷新，从而可以进一步提高光计算设备10的运算效率。
进一步，由于MZI尺寸较小，使得该光计算设备10的结构更加紧凑，能够在片上实现，保证了光计算设备10的稳定性。
3、第一反馈模块300和第二反馈模块400。
第一反馈模块300和第二反馈模块400可以均包括多个光纤波导，每个光纤波导可以传输一个光信号。
第一反馈模块300与参量振荡阵列100的两端连接，当参量振荡阵列100输出第一组光信号后，则由第一反馈模块300将该第一组光信号中的每个光信号反馈至该参量振荡阵列100。当参量振荡阵列100如图2所示，则第一反馈模块300中包括的光纤波导的数量与参量振荡阵列100中包括的参量振荡器110的数量相同，且每一个光纤波导连接在一个参量振荡器110的两端，用于将该参量振荡器110输出的光信号反馈至该参量振荡器110。
第二反馈模块400与参量振荡阵列100和相互作用计算矩阵200连接，当相互作用计算矩阵200输出第二组光信号后，则由该第二反馈模块400将该第二组光信号中的每个光信号反馈至该参量振荡阵列100。当参量振荡阵列100如图2所示，且相互作用计算矩阵200输出的第二组光信号中包括的光信号的数量与参量振荡阵列100包括的参量振荡器110的数量相同，则第二反馈模块400中包括的光纤波导的数量与参量振荡阵列100中包括的参量振荡器110的数量相同。
或者，第二反馈模块400中还可以包括光纤合束器或者光纤分光器。例如，若参量振荡阵列100中包括N个参量振荡器110，从而输出包括N个光信号的第一组光信号，经过相互作用计算矩阵200的矩阵运算后，该第二组光信号中包括2N个光信号，则可以在任意两个光纤波导之间设置一个光纤合束器，通过该光纤合束器将两个光纤波导上传输的光信号合并为一个时域上的信号，从而得到N个合并后的光信号，然后将该N个合并后的光信号反馈至N个参量振荡器110中。
或者，第一反馈模块300和第二反馈模块400也可以只包括一个光纤和光纤合束器，通过光纤合束器可以将参量振荡阵列100输出的第一组光信号合束为一个时域上的信号，之后通过第一反馈模块300包括的光纤，将该合束后的信号反馈至参量振荡阵列100。在这种情况下，当参量振荡阵列100接收到由第一反馈模块300反馈的该合束后的信号后，则可以将该合束后的信号分光为N个信号，然后根据该N个信号进行处理。
在本申请实施例中，该第一反馈模块300和第二反馈模块400中包括的光纤波导可以是具有低传输损耗的特性的波导，例如，可以是氮化硅波导等，也可以是硅、二氧化硅等其他具有低传输损耗的半导体材料。这样，可以减少通过第一反馈模块300和第二反馈模块400反馈至参量振荡阵列100的光信号的损耗，减少光信号在传输过程中发生的失真，可以提高光计算设备10的运算结果的准确性。
在上述实施例中，以光计算设备10包括参量振荡阵列100、相互作用计算矩阵200、第一反馈模块300以及第二反馈模块400为例，对该光计算设备10进行了说明。但是，在其他实施例中，该光计算设备10还可以包括其他模块。例如，由前述内容可知，参量振荡阵列100输出的第一组光信号(或者第三组光信号)会通过第一反馈模块300反馈至参量振荡阵列100，通过该第一组光信号(或者第三组光信号)还会参与到相互作用计算矩阵200中的矩阵运算，因此，还可以在参量振荡阵列100、第一反馈模块300和相互作用计算矩阵200之间设置分光器。
请参考图8，以参量振荡阵列100包括多个参量振荡器110中的其中一个参量振荡器110为例，在该参量振荡器110与相互作用计算矩阵200之间设置分光器，从而将该参量振荡器110输出的光信号的一部分传输到第一反馈模块300中，另一部分则传输到相互作用计算矩阵200中。其他参量振荡器110也可以采用相同的方式设置分光器，在此不再赘述。作为一种示例，该分光器可以是可调谐的MZI分光器，可调谐的MZI分光器采用热调谐的方式控制MZI的相位参数，从而可以动态的MZI分光器的分光比。例如，该分光比可以为90/10，则通过该MZI分光器后，则将每个参量振荡器110输出的90％的光信号传输到第一反馈模块300中，并将每个参量振荡器110输出的10％的光信号传输至相互作用计算矩阵200。
另外，由于参量振荡阵列100需要根据从第一反馈模块300和第二反馈模块400反馈的光信号，生成光计算设备10进行计算所需的输入信号(例如，第三组光信号)，则还可以在参量振荡阵列100的输入端设置合束器。
请参考图9，以参量振荡阵列100包括多个参量振荡器110中的其中一个参量振荡器110为例，在该参量振荡器110与第二反馈模块400之间设置合束器，从而将第一反馈模块300和第二反馈模块400各自反馈的一个光信号合并为一个时域上的光信号之后，再输入至参量振荡器110中进行处理。其他参量振荡器110也可以采用相同的方式设置合束器，在此不再赘述。
或者，该光计算设备10中还可以包括相位探测器，该相位探测器可以为平衡差分探测器(balanced homodyne detector，BHD)等，该相位探测器可以与参量振荡阵列100连接，探测参量振荡阵列100输出一组光信号中各个光信号的相位，以根据每个光信号的相位确定光计算设备100的计算结果。例如，当探测器探测到参量振荡阵列100输出的各个光信号的相位为0或者π，则根据该组光信号确定最终的计算结果。
当然，该光计算设备10中还可以包括其他模块，在此不一一举例。
本申请实施例提供的光计算设备，由于参量振荡阵列和相互作用计算矩阵对一组光信号包括的多个光信号的处理过程是并行的，因此，即使在伊辛模型中的节点数量较多时，需要引入较多的输入光信号时，也不会增加光计算设备的运算时间。
且，通过参量振荡阵列生成用于光计算设备进行计算的光信号，可以获取具有压缩态的光信号，可以最大程度地确保通过该光计算设备得到的最优解为全局最优解，保证计算精度。
此外，由于本申请实施例提供的光计算设备结构简单，能够在片上实现，为后续集群化光伊辛机提供了可行方案。并且，整个计算过程通过光信号的方式实现，信号传输速度快，计算速度也得到很大提升，因此，本申请实施例提高的光计算设备可以应用于神经网络系统中，例如，可以用于实现神经网络系统中的反馈控制。
下面将结合前面的实施例，以如图1所示的光计算设备为例，对本申请实施例中提供的光信号的处理方法进行介绍。
请参考图10，为本申请实施例提供的一种光信号的处理方法的流程图，该流程图描述如下：
S1001、参量振荡阵列100接收第一组信号。
其中，对第一组信号的描述可以参照前述对参量振荡阵列100的介绍，在此不再赘述。
S1002、参量振荡阵列100根据所述第一组信号生成第一组光信号。
所述第一组光信号包括多个第一光信号。参量振荡阵列100根据所述第一组信号生成所述第一组光信号的过程，可以参照前述对参量振荡阵列100的介绍，在此不再赘述。
S1003、参量振荡阵列100输出所述第一组光信号，相互作用计算阵列200和第一反馈模块300分别接收所述第一组光信号。
参量振荡阵列100可以包括多个参量振荡器，该多个参量振荡器的数量与第一组光信号中包括的光信号的数量相同，每一个参量振荡器用于输出第一组光信号中的一个光信号。
作为一种示例，每个参量振荡器接收所述第一组光信号中的一个光信号，并按照预设的分光比例，将所述光信号分为第一部分光信号和第二部分光信号，然后将所述第一部分光信号传输至第一反馈模块300，以及，将所述第二部分光信号传输至相互作用计算矩阵200，具体过程可以参考针对图8所描述的内容。
S1004、相互作用计算阵列200根据预设的矩阵，对所述第一组光信号进行矩阵运算，获得第二组光信号。
所述第二组光信号包括多个第二光信号。步骤S1003的具体过程，可以参照前述对相互作用矩阵200的介绍，在此不再赘述。
S1005、相互作用计算阵列200输出所述第二组光信号，第二反馈模块400接收该第二组光信号。
S1006、第一反馈模块300将所述第一组光信号传输至参量振荡阵列100。
S1007、第二反馈模块400将所述第二组光信号传输至参量振荡阵列100。
S1008、参量振荡阵列100根据所述第一组信号、所述第一组光信号以及所述第二组光信号，生成第三组光信号。
步骤S1008与步骤S1002相似，在此不再赘述。
需要说明的是，每个参量振荡器可以将所述第一组光信号的一个光信号和所述第二组光信号的一个光信号合束为一个光信号，并将合束后的一个光信号传输至所述参量振荡器进行上述处理，具体过程可以参考针对图9所描述的内容。
S1009、参量振荡阵列100输出所述第三组光信号，相互作用计算阵列200接收所述第三组光信号，第一反馈模块300接收所述第三组光信号。
步骤S1009与步骤S1003相似，在此不再赘述。
S1010、相互作用计算阵列200根据所述预设的矩阵，对所述第三组光信号进行矩阵运算，获得第四组光信号。
S1011、相互作用计算阵列200输出第四组光信号，第二反馈模块400接收所述第四组光信号。
S1012、第一反馈模块300将所述第三组光信号传输至参量振荡阵列100。
S1013、第二反馈模块400将所述第四组光信号传输至参量振荡阵列100。
可以理解的是，实际应用中，还可以多次重复执行步骤S1008～步骤S1013，在此不限制上述每个步骤的执行次数。当参量振荡阵列100输出的一组光信号中各个光信号的相位满足预设条件，例如，各个光信号的相位为0或者π，则根据该组光信号确定最终的计算结果。
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。在本申请实施例、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。在本申请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，在此不作限定。

Claims (12)

1.一种光计算设备，其特征在于，包括：
参量振荡阵列，用于接收第一组信号，以及根据所述第一组信号生成第一组光信号，所述第一组光信号包括多个第一光信号；
相互作用计算阵列，连接所述参量振荡阵列，用于接收所述第一组光信号，并根据预设的矩阵，对所述第一组光信号进行矩阵运算，获得第二组光信号，所述第二组光信号包括多个第二光信号；
第一反馈模块，连接所述参量振荡阵列的两端，用于接收所述第一组光信号，并将所述第一组光信号传输至所述参量振荡阵列；
第二反馈模块，连接所述参量振荡阵列和所述相互作用计算阵列，用于接收所述第二组光信号，并将所述第二组光信号传输至所述参量振荡阵列。
2.根据权利要求1所述的光计算设备，其特征在于，所述参量振荡阵列还用于：
接收所述第一组光信号以及所述第二组光信号；
根据所述第一组信号、所述第一组光信号以及所述第二组光信号，输出第三组光信号；
所述相互作用计算阵列还用于：
接收所述第三组光信号，根据所述预设的矩阵，对所述第三组光信号进行矩阵运算，获得第四组光信号；
所述第一反馈模块还用于：
接收所述第三组光信号，并将所述第三组光信号传输至所述参量振荡阵列；
所述第二反馈模块还用于：
接收所述第四组光信号，并将所述第四组光信号传输至所述参量振荡阵列。
3.根据权利要求1或2所述的光计算设备，其特征在于，所述参量振荡阵列包括多个参量振荡器，所述参量振荡器包括第一波导和第二波导，所述第一波导和所述第二波导的材料不同，所述第一波导的材料包括具有非线性效应的材料。
4.根据权利要求3所述的光计算设备，其特征在于，所述第二波导的材料包括传输损耗低于阈值的材料。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的光计算设备，其特征在于，所述相互作用计算阵列包括多个级联的马赫-曾德尔MZ干涉单元，每个MZ干涉单元包括多个马赫-曾德尔干涉仪MZI和分束器，每个MZI包括介电常数的调整速度小于阈值的波导，所述波导用于调整对应的MZI的相位参数。
6.根据权利要求5所述的光计算设备，其特征在于，同一个MZ干涉单元包括的多个MZI中的波导的材料不同。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的光计算设备，其特征在于，
所述参量振荡器还包括：
分光器，连接所述参量振荡器、所述第一反馈模块以及所述相互作用计算阵列，用于：
接收所述第一组光信号中的一个第一光信号；
按照预设的分光比例，将所述光信号分为第一部分光信号和第二部分光信号；
将所述第一部分光信号传输至所述第一反馈模块，以及，将所述第二部分光信号传输至所述相互作用计算矩阵。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述参量振荡器还包括：
合束器，连接所述参量振荡器、所述第一反馈模块以及所述第二反馈模块，用于将所述第一组光信号的一个第一光信号和所述第二组光信号的一个第二光信号合束为一个光信号，并将合束后的一个光信号传输至所述参量振荡器。
9.一种光信号处理方法，其特征在于，所述方法由光计算设备执行，所述光计算设备包括参量振荡阵列、相互作用计算阵列、第一反馈模块以及第二反馈模块，所述方法包括：
所述参量振荡阵列接收第一组信号，以及根据所述第一组信号生成第一组光信号，所述第一组光信号包括多个第一光信号；
所述相互作用计算阵列接收所述第一组光信号，并根据预设的矩阵，对所述第一组光信号进行矩阵运算，获得第二组光信号，所述第二组光信号包括多个第二光信号；
所述第一反馈模块接收所述第一组光信号，并将所述第一组光信号传输至所述参量振荡阵列；
所述第二反馈模块接收所述第二组光信号，并将所述第二组光信号传输至所述参量振荡阵列。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述参量振荡阵列接收所述第一组光信号以及所述第二组光信号，并根据所述第一组信号、所述第一组光信号以及所述第二组光信号，输出第三组光信号；
所述相互作用计算阵列接收所述第三组光信号，根据所述预设的矩阵，对所述第三组光信号进行矩阵运算，获得第四组光信号；
所述第一反馈模块接收所述第三组光信号，并将所述第三组光信号传输至所述参量振荡阵列；
所述第二反馈模块接收所述第四组光信号，并将所述第四组光信号传输至所述参量振荡阵列。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述参量振荡阵列包括多个参量振荡器，所述方法还包括：
每个参量振荡器接收所述第一组光信号中的一个第一光信号，并按照预设的分光比例，将所述第一光信号分为第一部分光信号和第二部分光信号；
所述每个参量振荡器将所述第一部分光信号传输至所述第一反馈模块，以及，将所述第二部分光信号传输至所述相互作用计算矩阵。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其特征在于，所述参量振荡阵列包括多个参量振荡器，所述方法还包括：
每个参量振荡器将所述第一组光信号的一个第一光信号和所述第二组光信号的一个第二光信号合束为一个光信号，并将合束后的一个光信号传输至所述参量振荡器。
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