CN113126693A - 一种基于波长路由的光子矩阵向量乘法器及其运算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于波长路由的光子矩阵向量乘法器及其运算方法，解决现有光矩阵向量乘法器无法实现较大的规模以及不具备可行性的问题。该光子矩阵向量乘法器包括依次设置的多波长光源单元、第一光调制器阵列、功分器阵列、第二光调制器阵列、阵列波导光栅和探测器阵列；第一光调制器阵列包括N个第一调制器，功分器阵列包含N个功分器，第二光调制器阵列包括N个第二调制器，阵列波导光栅包括依次设置的输入衍射区、阵列波导和输出衍射区，探测器分别与输出衍射区的M个输出口一一对应连接。与传统空间光学直接映射到平面的方案相比，本发明所提出的乘法器结构具有高性能、高可实现性、易于集成等优势。

Description

一种基于波长路由的光子矩阵向量乘法器及其运算方法

技术领域

本发明涉及光信息技术领域，具体涉及一种基于波长路由的光子矩阵向量乘法器及其运算方法。

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。

现有的光矩阵向量乘法运算采用自由空间光结构，N组加载了向量信息的光源，水平方向排成一行，通过垂直方向的柱面透镜系统扩束到一个含有N×M个调制单元的空间光调制器面阵，在面阵上加载了矩阵元素信息之后，再通过一个水平方向的柱面透镜系统，聚焦到一列垂直方向排列的光探测器上。该方案由于采用空间光学结构，具有尺寸和体积较大等缺点。理论上也可将这一方案以平面映射的方式制作光子芯片，但是简单的将空间结构映射到二维平面上会导致极大的光损耗和极差的一致性，导致该方案实现的光子向量矩阵乘法器无法实现较大的规模，不具备可行性。

发明内容

本发明的目的是解决现有光矩阵向量乘法器无法实现较大的规模以及不具备可行性的问题，从而提供一种基于波长路由的光子矩阵向量乘法器及其运算方法，与传统空间光学直接映射到平面的方案相比，本发明所提出的乘法器结构具有高性能、高可实现性、易于集成等优势。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于波长路由的光子矩阵向量乘法器，包括依次设置的多波长光源单元、第一光调制器阵列、功分器阵列、第二光调制器阵列、阵列波导光栅和探测器阵列；所述多波长光源单元用于产生N组不同波长的光束；所述第一光调制器阵列包括N个第一调制器，所述多波长光源单元输出的N组光束通过N根输出波导分别与N个第一调制器的输入口一一对应连接，所述第一光调制器阵列对N组光束分别以同样的波特率进行调制，得到N组加载了向量信息的光束，且每组光束频率不同；所述功分器阵列包含N个功分器，每个功分器设有一个输入口和M个输出口，N个功分器的输入口与N个第一调制器的输出口一一对应连接，单个功分器将输入的光束分为M份输出，功分器阵列共输出N×M组光束；所述第二光调制器阵列包括N个第二调制器，每个第二调制器设置有M个输入口和M个输出口，所述第二调制器的M个输入口分别与功分器的M个输出口一一对应连接，所述第二光调制器阵列对N×M组光束分别进行调制，加载矩阵信息；所述阵列波导光栅包括依次设置的输入衍射区、阵列波导和输出衍射区，所述输入衍射区设有N×M个输入口，分别与第二光调制器阵列中的N×M个输出口一一对应连接，所述输出衍射区设有M个输出口，N×M组光束经过阵列波导光栅后被分成M组，分别进入输入衍射区的M个输出口，其中输入衍射区的第i、i+N…i+kN个波导中的光束进入输出衍射区的第k个波导，其中i=1，2…N ，k=1，2…M；所述探测器阵列包括M个探测器，M个探测器分别与输出衍射区的M个输出口一一对应连接，在单个探测器中，N个频率的光功率相加形成光电流，完成加法运算。

进一步地，所述多波长光源单元为单纵模激光器阵列。

进一步地，所述多波长光源单元包括依次连接的光学频率梳和波长解复用器。

同时，本发明还提供一种基于波长路由的光子矩阵向量乘法器的运算方法，包括以下步骤：

步骤一、多波长光源单元发出N组等频率间隔的光束，并对N组光束分别以同样的波特率进行调制，得到N组加载了向量信息的光束，且每组光束频率不同；

步骤二、对步骤一的N组光束进行功率分束，每组光束被等分为M份输出，共输出N×M组光束；

步骤三、将步骤二产生的N×M组光束分别进行调制，加载矩阵信息；

步骤四、将调制之后N×M组光束通过N×M个输入口输入至阵列波导光栅中，并被路由到M个出口，形成M组光束，每组光束包含N个频率的光；

步骤五、M组光束分别进入M个探测器，在每个探测器中，N个频率的光功率相加形成光电流，完成加法运算。

与现有技术相比，本发明技术方案具有如下有益效果：

1.本发明光子矩阵向量乘法器通过N×M个输入口、M个输出口的阵列波导光栅的波长路由原理，实现了N×M组输入光到M组输出光的交叉和归并，避免了传统片上直接映射方案需要通过光波导物理交叉的缺陷，大大降低了系统的损耗，提高了一致性。

2.本发明的光子矩阵向量乘法器对工艺容差容忍程度较大，规模易于扩展，可实现较大规模的计算系统。

附图说明

图1为本发明基于波长路由的光子矩阵向量乘法器的结构示意图；

图2为本发明基于波长路由的光子矩阵向量乘法器实施例一的结构示意图。

图3为本发明基于波长路由的光子矩阵向量乘法器实施例二的结构示意图。

附图标记：1-多波长光源单元，2-第一光调制器阵列，3-功分器阵列，4-第二光调制器阵列，5-阵列波导光栅，6-探测器阵列，101-单纵模激光器阵列，121-光学频率梳，122-波长解复用器，21-第一调制器，31-功分器，41-第二调制器，51-输入衍射区，52-输出衍射区，61-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。

如图1所示，本发明提供的基于波长路由的光子矩阵向量乘法器包括依次设置的多波长光源单元1、第一光调制器阵列2、功分器阵列3、第二光调制器阵列4、阵列波导光栅5和探测器阵列6；多波长光源单元1用于产生N组不同波长的光束；第一光调制器阵列2包括N个第一调制器21，多波长光源单元1输出的N组光束通过N根输出波导分别与N个第一调制器21的输入口一一对应连接，第一光调制器阵列2对N组光束分别以同样的波特率进行调制，得到N组加载了向量信息的光束，且每组光束频率不同；功分器阵列3包含N个功分器31，每个功分器31设有一个输入口和M个输出口，N个功分器31的输入口与N个第一调制器21的输出口一一对应连接，单个功分器31将输入的光束分为M份输出，功分器阵列3共输出N×M组光束；第二光调制器阵列4包括N个第二调制器41，每个第二调制器41设置有M个输入口和M个输出口，第二调制器41的M个输入口分别与功分器31的M个输出口一一对应连接，第二光调制器阵列4对N×M组光束分别进行调制，加载矩阵信息；阵列波导光栅5包括依次设置的输入衍射区51、阵列波导和输出衍射区52，输入衍射区51设有N×M个输入口，分别与第二光调制器阵列4中的N×M个输出口一一对应连接，输出衍射区52设有M个输出口，N×M组光束经过阵列波导光栅5后被分成M组，分别进入输入衍射区51的M个输出口，其中输入衍射区51的第i、i+N…i+kN个波导中的光束进入输出衍射区52的第k个波导，其中i=1，2…N ，k=1，2…M；探测器阵列6包括M个探测器61，M个探测器61分别与输出衍射区52的M个输出口一一对应连接，在单个探测器61中，N个频率的光功率相加形成光电流，完成加法运算。

上述光子矩阵向量乘法器中，多波长光源单元1是单纵模激光器阵列101，或者，多波长光源单元1主要由光学频率梳121和波长解复用器122组成。

同时，本发明还提供一种基于波长路由的光子矩阵向量乘法器的运算方法，包括以下步骤：

步骤一、多波长光源单元1发出N组等频率间隔的光束，并对N组光束分别以同样的波特率进行调制，得到N组加载了向量信息的光束，且每组光束频率不同；

步骤二、对步骤一的N组光束进行功率分束，每组光束被等分为M份输出，共输出N×M组光束；

步骤三、将步骤二产生的N×M组光束分别进行调制，加载矩阵信息；

步骤四、将调制之后N×M组光束通过N×M个输入口输入至阵列波导光栅5中，并被路由到M个出口，形成M组光束，每组光束包含N个频率的光；

步骤五、M组光束分别进入M个探测器61，在每个探测器61中，N个频率的光功率相加形成光电流，完成加法运算。

本发明基于波长路由的光子矩阵向量乘法器的原理如下：

本发明所提出的结构可以在光芯片上实现一个有着N×M个元素矩阵和N个元素的向量的乘法。假设计算的是X×A，其中X是有着N个元素的行向量，xj是其中第j个元素的值，A是N×M的矩阵，Aij是其中第i行j列的元素的值，向量元素xj的信息分别被第一光调制器阵列2中第j个第一调制器21加载到由多波长光源单元1产生的第j个束光上。对于1xN的向量乘以N×M矩阵的运算，向量需要分别和矩阵中1-M列的元素进行相乘，因此，经过第一光调制器阵列2调制之后的N个光束，需要被利用M次，以完成M个向量-向量乘法运算，所以需要经过功分器阵列3中的N个功分器31，让每一束光都被平均分成M份。此后，N×M光束需要经过第二调制器41以加载Aij的信息，由于是平面结构，所以N个第二调制器41排成列，形成第二光调制器阵列4。

经过第二光调制器阵列4之后，已经完成了向量-矩阵乘法运算中的全部乘法运算，然后需将N×M组光束分成M组，每组N个光束，然后每组的光束能量进行相加。分组并非按照顺序进行，而是在N×M组光束中，每隔M个光束取一个分成一组并归入同一根波导中。该分组和归并的操作由阵列波导光栅5完成，经过阵列波导光栅5分组产生的M组光束，其中一组中包含N个光束，这N个光束最终在探测器61上实现功率相加，完成矩阵-向量乘法中的加法运算。

在本发明光子矩阵向量乘法器中，通过波长和阵列波导光栅5的路由功能，实现了N×M个光束到M个光束的分组和归并，避免了波导结构的物理交叉，从而降低了系统整体的损耗，提高了一致性。

实施例一

如图2所示，本发明光子矩阵向量乘法器包括多波长光源单元1、第一光调制器阵列2、功分器阵列3、第二光调制器阵列4、阵列波导光栅5和探测器阵列6，多波长光源单元1由N个离散波长激光器组成，具体采用单纵模激光器阵列101的方式实现，其分别通过N根波导输出，多波长光源阵列第一光调制器阵列2中包含N个第一调制器21。多波长光源单元1的N根输出波导与分别与N个第一调制器21入口相连，功分器阵列3包含N个功分器31，每个功分器31可以将输入光束分为M份输出，经过第一调制器21调制之后的光分别经功分器31分成M束光，共产生N×M个输出光束。每个功分器31的M个出口分别与第二调制器41的M个输入口相连。阵列波导光栅5包括输入衍射区51、输出衍射区52和阵列波导三部分，其中输入衍射区51设有N×M个输入口，分别与第二光调制器阵列4的N×M个输出口相连，输出衍射区52包含M个输出口。N×M组光束经过阵列波导光栅5后，会被分成M组，分别进入到输入衍射区51的M个输出口，其中输入衍射区51第i，i+N…i+kN个（其中i=1，2…N ，k=1，2…M）波导里的光会进入输出衍射区52第k个波导，输出衍射区52的M个输出口分别与探测器阵列6中的M个探测器61相连。

实施例二

图3所示为本发明光子矩阵向量乘法器实施例一的结构示意图，在此实施方式中，多波长光源采用单光学频率梳121和解复用器的实现，其中光学频率梳121可产生一束包含N个等间隔频率的多波长光束，该光束经过解复用器分解成N个不同频率的光束，其他部分与实施例一相同。

Claims (4)

1.一种基于波长路由的光子矩阵向量乘法器，其特征在于：包括依次设置的多波长光源单元（1）、第一光调制器阵列（2）、功分器阵列（3）、第二光调制器阵列（4）、阵列波导光栅（5）和探测器阵列（6）；

所述多波长光源单元（1）用于产生N组不同波长的光束；

所述第一光调制器阵列（2）包括N个第一调制器（21），所述多波长光源单元（1）输出的N组光束通过N根输出波导分别与N个第一调制器（21）的输入口一一对应连接，所述第一光调制器阵列（2）对N组光束分别以同样的波特率进行调制，得到N组加载了向量信息的光束，且每组光束频率不同；

所述功分器阵列（3）包含N个功分器（31），每个功分器（31）设有一个输入口和M个输出口，N个功分器（31）的输入口与N个第一调制器（21）的输出口一一对应连接，单个功分器（31）将输入的光束分为M份输出，功分器阵列（3）共输出N×M组光束；

所述第二光调制器阵列（4）包括N个第二调制器（41），每个第二调制器（41）设置有M个输入口和M个输出口，所述第二调制器（41）的M个输入口分别与功分器（31）的M个输出口一一对应连接，所述第二光调制器阵列（4）对N×M组光束分别进行调制，加载矩阵信息；

所述阵列波导光栅（5）包括依次设置的输入衍射区（51）、阵列波导和输出衍射区（52），所述输入衍射区（51）设有N×M个输入口，分别与第二光调制器阵列（4）中的N×M个输出口一一对应连接，所述输出衍射区（52）设有M个输出口，N×M组光束经过阵列波导光栅（5）后被分成M组，分别进入输入衍射区（51）的M个输出口，其中输入衍射区（51）的第i、i+N…i+kN个波导中的光束进入输出衍射区（52）的第k个波导，其中i=1，2…N ，k=1，2…M；

所述探测器阵列（6）包括M个探测器（61），M个探测器（61）分别与输出衍射区（52）的M个输出口一一对应连接，在单个探测器（61）中，N个频率的光功率相加形成光电流，完成加法运算。

2.根据权利要求1所述的基于波长路由的光子矩阵向量乘法器，其特征在于：所述多波长光源单元（1）为单纵模激光器阵列（101）。

3.根据权利要求1所述的基于波长路由的光子矩阵向量乘法器，其特征在于：所述多波长光源单元（1）包括依次连接的光学频率梳（121）和波长解复用器（122）。

4.一种基于波长路由的光子矩阵向量乘法器的运算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、多波长光源单元发出N组等频率间隔的光束，并对N组光束分别以同样的波特率进行调制，得到N组加载了向量信息的光束，且每组光束频率不同；

步骤二、对步骤一的N组光束进行功率分束，每组光束被等分为M份输出，共输出N×M组光束；

步骤三、将步骤二产生的N×M组光束分别进行调制，加载矩阵信息；

步骤四、将调制之后N×M组光束通过N×M个输入口输入至阵列波导光栅中，并被路由到M个出口，形成M组光束，每组光束包含N个频率的光；

步骤五、M组光束分别进入M个探测器，在每个探测器中，N个频率的光功率相加形成光电流，完成加法运算。

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