CN112988113B - 一种光子矩阵向量乘法器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光子矩阵向量乘法器，解决现有光子矩阵向量乘法器对工艺误差敏感，难以大规模扩展的问题。该光子矩阵向量乘法器包括依次设置的光源、输入分束器、输入调制器阵列、第一多级衍射网络、中间调制器阵列、第二多级衍射网络和探测器阵列；输入调制器阵列包含N个第一调制器；中间调制器阵列包含N个第二调制器；探测器阵列包含N个探测器；第一多级衍射网络包括M级第一光子分配单元，每级第一光子分配单元均包括第一分光器和第一相位调制器阵列，第二多级衍射网络包括M级第二光子分配单元，每级第二光子分配单元均包括第二分光器和第二相位调制器阵列，本发明所提出的结构具有工艺误差不敏感、高可实现性、易于集成等优势。

Description

一种光子矩阵向量乘法器

技术领域

本发明涉及光信息技术领域，具体涉及一种光子矩阵向量乘法器。

背景技术

计算技术是现代信息技术的核心，传统电子计算方法具有高能耗、低效率、低并行性的缺点，而光子计算技术可以克服上述缺点。矩阵-向量乘法是光子计算的一个重要分支。

对于人工智能等应用，矩阵向量乘法占总运算量的90%以上。传统的片上光子向量矩阵乘法器基于多级的马尔曾德尔干涉仪结构构建。该结构基于特征值分解原理，将任意一个矩阵分解为2个酉矩阵和一个对角阵的级联结构，并通过马赫曾德尔干涉仪网络实现其中的酉矩阵。马赫曾德尔干涉仪通常包含2个50：50分光器以及中间的两根波导结构。当网络中所有马尔曾德尔干涉仪的分光比严格等于50：50时，其构建的网络传递矩阵为酉矩阵，可满足前述的原理要求，但是由于制作工艺、入射光波长、偏振等的影响，分光器难以保证完美的50：50分光比，会产生偏离，随着矩阵规模的扩大，这种偏离会导致严重的误差的累计，最终导致大规模的网络结构的传递矩阵不在满足酉矩阵条件，因此在现有的光子集成芯片工艺水平，难以实现较大规模的光子矩阵向量乘法器。

发明内容

本发明的目的是解决现有光子矩阵向量乘法器对工艺误差敏感，难以大规模扩展的问题，提供一种光子矩阵向量乘法器。与传统光子计算相比，本发明所提出的结构具有工艺误差不敏感、高可实现性、易于集成等优势。

为实现以上发明目的，本发明的技术方案为：

一种光子矩阵向量乘法器，包括依次设置的光源、输入分束器、输入调制器阵列、第一多级衍射网络、中间调制器阵列、第二多级衍射网络和探测器阵列；所述光源与输入分束器的输入口连接，经过输入分束器后被分为N份，所述输入调制器阵列包含N个第一调制器，所述第一调制器的输入口分别与输入分束器的各输出口连接；所述中间调制器阵列包含N个第二调制器；所述探测器阵列包含N个探测器；所述第一多级衍射网络包括M级第一光子分配单元，每级第一光子分配单元均包括第一分光器和第一相位调制器阵列，所述第一相位调制器阵列包括N个第一相位调制器，第一级第一分光器的输入口与第一调制器的输出口相连接，第m级第一分光器的输出口与第m级第一相位调制器的输入口相连接，第m级第一相位调制器的输出口与第m+1级第一分光器的输入口相连接，最后一级第一相位调制器的输出口与第二调制器的输入口连接；所述第二多级衍射网络包括M级第二光子分配单元，每级第二光子分配单元均包括第二分光器和第二相位调制器阵列，所述第二相位调制器阵列包括N个第二相位调制器，第一级第二分光器的输入口与第二调制器的输出口相连接，第m级第二分光器的输出口与第m级第二相位调制器的输入口相连接，第m级第二相位调制器的输出口与第m+1级第二分光器的输入口相连接，最后一级第二相位调制器的输出口与各探测器的输入口连接，其中，M≥N；1≤m＜M。

进一步地，所述光源通过波导与输入分束器输入口连接。

进一步地，所述第一调制器和第二调制器为马尔曾德尔调制器、电吸收调制器或微机电调制器。

进一步地，所述第一分光器和第二分光器为多模干涉器、直接耦合器阵列或二者的组合。

进一步地，所述N为4，M为5。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1.本发明光子矩阵向量乘法器通过多级分光器和调相器结构实现基本矩阵运算，基本结构易于实现，特别是容易进行片上集成，可实现单芯片计算系统。

2.本发明光子矩阵向量乘法器核心采用的是并行的级联直接耦合分光器结构，直接耦合分光器传递矩阵为酉矩阵，该特性由电磁场互易性以及直接耦合分光器系统的无损特性保证，而与波导宽度、厚度等工艺参数无关，因此对工艺容差容忍程度极大，规模易于扩展，可实现较大规模的计算系统。

附图说明

图1为本发明的光子矩阵向量乘法器的结构示意图；

图2为本发明的光子矩阵向量乘法器第一种实施方式结构示意图；

图3为本发明的光子矩阵向量乘法器第二种实施方式结构示意图；

图4为本发明的光子矩阵向量乘法器第三种实施方式结构示意图；

图5为本发明的光子矩阵向量乘法器第四种实施方式结构示意图；

图6为本发明的光子矩阵向量乘法器第五种实施方式结构示意图。

附图标记：1-光源，2-输入分束器，3-输入调制器阵列，4-第一多级衍射网络，5-中间调制器阵列，6-第二多级衍射网络，7-探测器阵列；31-第一调制器，41-第一分光器，42-第一相位调制器阵列，421-第一相位调制器，51-第二调制器，61-第二分光器，62-第二相位调制器阵列，621-第二相位调制器，71-探测器。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

由矩阵代数的基本原理可知，任意矩阵可以分解为两个酉矩阵和一个对角矩阵的乘法。因此，任何向量和矩阵的乘法，可以分解为向量先乘以酉矩阵再乘以对角阵，再乘以另一个酉矩阵。本发明所提出的光子矩阵向量乘法器以此为基本出发点。该光子矩阵向量乘法器具有结构简单、工艺容差大、容易校准等优点。

如图1所示，本发明提供的光子矩阵向量乘法器包括依次设置的光源1、输入分束器2、输入调制器阵列3、第一多级衍射网络4、中间调制器阵列5、第二多级衍射网络6和探测器阵列7；光源1通过波导与输入分束器2的输入口连接，经过输入分束器2后被分为N份，输入调制器阵列3包含N个第一调制器31，第一调制器31的输入口分别与输入分束器2的各输出口连接；中间调制器阵列5包含N个第二调制器51；探测器阵列7包含N个探测器71。

本发明第一多级衍射网络4包括M级第一光子分配单元，每级第一光子分配单元包括第一分光器41和第一相位调制器阵列42，第一相位调制器阵列42包括N个第一相位调制器421，第一级第一分光器41的输入口与第一调制器31的输出口相连接，第m级第一分光器41的输出口与第m级第一相位调制器421的输入口相连接，第m级第一相位调制器421的输出口与第m+1级第一分光器41的输入口相连接，最后一级第一相位调制器421的输出口与第二调制器51的输入口连接，其中，M≥N；1≤m＜M。

本发明第二多级衍射网络6包括M级第二光子分配单元，每级第二光子分配单元包括第二分光器61和第二相位调制器阵列62，第二相位调制器阵列62包括N个第二相位调制器621，第一级第二分光器61的输入口与第二调制器51的输出口相连接，第m级第二分光器61的输出口与第m级第二相位调制器621的输入口相连接，第m级第二相位调制器621的输出口与第m+1级第二分光器61的输入口相连接，最后一级第二相位调制器621的输出口与探测器71的各输入口连接，其中，M≥N；1≤m＜M。

本发明第一调制器31和第二调制器51可为马尔曾德尔调制器、电吸收调制器或微机电调制器。第一分光器41和第二分光器61可为多模干涉器、直接耦合器阵列或二者的组合。

本发明光子矩阵向量乘法器工作时，光源1的光能量经过输入分束器2分成N份，各第一调制器31输入口分别与输入分束器2的各输出口连接，每一个第一调制器31可以加载不同的电信号，产生不同的透过率，代表向量中不同元素的大小。光波经过各第一调制器31调制之后，加载了向量的信息，然后分别穿过第一多级衍射网络4、中间调制器阵列5和第二多级衍射网络6，这三部分分别代表了酉矩阵、对角阵和酉矩阵的信息，因此光波经过这三部分，到达探测器阵列7时，就加载了向量和矩阵乘法之后的信息，再通过探测器阵列7中的探测器71把信息转换成电信号，就可以实现完整的向量矩阵乘法。

对于第一光子分配单元和第二光子分配单元，由无损光学互易原理可知，只要其中的第一分光器41和第二分光器61是无损分光的（具体可采用多模干涉耦合器或直接耦合器阵列），且级联的级数足够多(N级矩阵需要N级以上级联)，就可以通过调整其第一相位调制器421或第二相位调制器621上的相位，实现任意酉矩阵的运算。

实施例一

图2所示为本发明实施例一的结构示意图，光子矩阵向量乘法器包括依次设置的光源1、输入分束器2、输入调制器阵列3、第一多级衍射网络4、中间调制器阵列5、第二多级衍射网络6和探测器阵列7。光源1通过波导与输入分束器2的输入口连接，光源1的光能量经过输入分束器2分成四份，输入调制器阵列3包含四个第一调制器31，各第一调制器31输入口分别与输入分束器2的各输出口连接，中间调制器阵列5包含四个第二调制器51；探测器阵列7包含四个探测器71。第一多级衍射网络4包括五级第一光子分配单元，每级第一光子分配单元均包括第一分光器41和第一相位调制器阵列42，第一相位调制器阵列42包含四个第一相位调制器421。第一级第一分光器41的输入口与第一调制器31的各输出口相连接，其他各级第一分光器41的输入口分别与上一级第一相位调制器421的输出口连接，各级第一分光器41的输出口分别与同一级第一相位调制器421的输入口连接，最后一级第一相位调制器421的输出口与第二调制器51的各输入口相连接。第二多级衍射网络6包括五级第二光子分配单元，每级第二光子分配单元均包括第二分光器61和第二相位调制器阵列62，第二相位调制器阵列62包含四个第二相位调制器621。第一级第二分光器61的输入口与第二调制器51的各输出口相连接，其他各级第二分光器61的输入口分别与上一级第二相位调制器621的输出口相连接，各级第二分光器61的输出口分别与同一级第二相位调制器621的输入口连接，最后一级第二相位调制器621的输出口与探测器阵列7的各探测器71相连接。在该实施例中，第一调制器31和第二调制器51均采用马赫曾德尔调制器。

实施例二

图3所示为本发明光子矩阵向量乘法器实施例二的结构示意图，在此实施例中，第一调制器31和第二调制器51均采用电吸收调制器，其他部分与实施例一相同。

实施例三

图4所示为本发明光子矩阵向量乘法器实施例三的结构示意图，在此实施例中，第一调制器31和第二调制器51均采用微机电调制器，其他部分与实施例一相同。

实施例四

图5所示为本发明光子矩阵向量乘法器实施例四的结构示意图，在此实施例中，第一分光器41和第二分光器61为多模干涉器，其他部分与实施例一相同。

实施例五

图6所示为本发明光子矩阵向量乘法器实施例五的结构示意图，在此实施例中，第一分光器41和第二分光器61为多直接耦合器阵列，其他部分与实施例一相同。

Claims (4)

1.一种光子矩阵向量乘法器，其特征在于：包括依次设置的光源（1）、输入分束器（2）、输入调制器阵列（3）、第一多级衍射网络（4）、中间调制器阵列（5）、第二多级衍射网络（6）和探测器阵列（7）；

所述光源（1）与输入分束器（2）的输入口连接，经过输入分束器（2）后被分为N份，所述输入调制器阵列（3）包含N个第一调制器（31），所述第一调制器（31）的输入口分别与输入分束器（2）的各输出口连接；所述中间调制器阵列（5）包含N个第二调制器（51）；所述探测器阵列（7）包含N个探测器（71）；

所述第一多级衍射网络（4）包括M级第一光子分配单元，每级第一光子分配单元均包括第一分光器（41）和第一相位调制器阵列（42），所述第一相位调制器阵列（42）包括N个第一相位调制器（421），第一级第一分光器（41）的输入口与第一调制器（31）的输出口相连接，第m级第一分光器（41）的输出口与第m级第一相位调制器（421）的输入口相连接，第m级第一相位调制器（421）的输出口与第m+1级第一分光器（41）的输入口相连接，最后一级第一相位调制器（421）的输出口与第二调制器（51）的输入口连接；

所述第二多级衍射网络（6）包括M级第二光子分配单元，每级第二光子分配单元均包括第二分光器（61）和第二相位调制器阵列（62），所述第二相位调制器阵列（62）包括N个第二相位调制器（621），第一级第二分光器（61）的输入口与第二调制器（51）的输出口相连接，第m级第二分光器（61）的输出口与第m级第二相位调制器（621）的输入口相连接，第m级第二相位调制器（621）的输出口与第m+1级第二分光器（61）的输入口相连接，最后一级第二相位调制器（621）的输出口与探测器（71）的输入口连接，其中，M≥N；1≤m＜M，所述第一分光器（41）和第二分光器（61）为多模干涉器、直接耦合器阵列或二者的组合。

2.根据权利要求1所述的光子矩阵向量乘法器，其特征在于：所述光源（1）通过波导与输入分束器（2）输入口连接。

3.根据权利要求1或2所述的光子矩阵向量乘法器，其特征在于：所述第一调制器（31）和第二调制器（51）为马尔曾德尔调制器、电吸收调制器或微机电调制器。

4.根据权利要求3所述的光子矩阵向量乘法器，其特征在于：所述N为4，M为5。

Images