CN113267911B - 大容量光电混合可编程逻辑运算芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了大容量光电混合可编程逻辑运算芯片，属于集成光计算领域。该运算芯片包括非线性矩阵映射区和4×4线性可编程矩阵区，非线性矩阵映射区用于将电学数据信号加载到光波上并同时将输入的光信号和电信号从二维空间映射到四维空间中，4×4线性可编程矩阵区用于将四维空间的信号做线性矩阵运算，从而对输入的两路信号同时完成4种不同的逻辑操作。进一步，引入波分复用技术实现多波长并行运算，使得芯片的总运算速率达到Tbit/s量级。此外，通过调节4×4线性可编程矩阵区的内部参数，可以控制其实现任意4×4矩阵光传输，从而实现任意布尔逻辑操作，拓展了该逻辑运算芯片的应用范围。
Description
技术领域
本发明属于集成光计算领域，更具体地，涉及大容量光电混合可编程逻辑运算芯片。
背景技术
随着信息社会的快速发展和第五代(5G)移动通信技术的普及，各行各业都需要产生、存储和传输大量的数据，对数据处理的需求量也越来越大。然而，电子计算晶体管作为数字逻辑计算的基础单元，其集成密度已经接近摩尔定律的极限，传统的电学数字计算已经很难满足需求。而光具有超大带宽、超高频率以及低功耗的特性，且光子存在多个维度，可以并行处理数据，这使得光计算成为数据处理的极具竞争力的替代手段之一。
目前的光学逻辑器件分全光逻辑和电光逻辑两类，全光逻辑由于需要引入非线性效应，使得每单位逻辑门运算所产生的功耗巨大，难以级联和拓展。而电光逻辑器件虽然每单位逻辑门运算的功耗较小，但是由于光学结构固定，也很难级联和拓展。同时，现有的全光和电光逻辑一般只能实现一些特定的逻辑功能，通用性差，并且都很难引入波分复用等技术实现并行运算，运算速率只能局限在Gbit/s量级。如果将可编程的思路引入电光逻辑器件中，其低功耗和通用性的特点也会为后续器件的拓展和级联创造条件。因此，开发一种引入波分复用技术实现并行高速运算，并且可以通过编程实现任意逻辑操作的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片有重要的实用价值。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供大容量光电混合可编程逻辑运算芯片，旨在实现可编程的电光任意逻辑运算。
为实现上述目的，本发明提供了一种大容量光电混合可编程逻辑运算芯片，该逻辑运算芯片包括非线性矩阵映射区和4×4线性可编程矩阵区，其中，非线性矩阵映射区用于把电信号加载到光波上并同时将输入的光信号和电信号从二维空间映射到四维空间中，所述4×4线性可编程矩阵区用于将属于四维空间的信号做线性矩阵变换，从而可以对输入的光信号和电信号完成对应的逻辑操作。
优选地，非线性矩阵映射区包括第一耦合光栅、第二耦合光栅、第一MMI(Multi-Mode Interference)3dB分光器、第二MMI 3dB分光器和电光调制器，所述第一耦合光栅和第二耦合光栅为光的入口，其中，参考连续光(恒为逻辑1信号)从第一耦合光栅输入，经第一MMI 3dB分光器分束后一路进入电光调制器的上端，一路经光波导直接输入所述4×4线性可编程矩阵区，信号光(包含逻辑01序列)从第二耦合光栅输入，经第二MMI 3dB分光器分束后一路进入电光调制器的下端，一路经光波导直接输入所述4×4线性可编程矩阵区，所述电光调制器包括电极，微环波导和耦合波导，所述电极为电信号的入口，电信号经所述电极后进入到所述微环波导的PIN结中，所述耦合波导用于将从所述耦合光栅进入的光耦合输入所述微环波导中，所述微环波导中的PIN结接收所述电信号后将载流子注入所述微环波导的波导中使得该波导的折射率发生改变，折射率发生改变后的所述波导即可对光进行调制，其中，所述电光调制器对其上端输入的连续光进行调制，从而将电信号转换为光信号；所述电光调制器同时对其下端输入的信号光进行调制，进行逻辑与运算，从而完成非线性操作，最后输入到所述4×4线性可编程矩阵区，光信号与电信号在经过所述非线性映射区后便可完成从二维空间到四维空间的非线性映射。
进一步地，所述4×4线性可编程矩阵区由16个MZI(片上2×2马赫-曾德尔干涉仪)和4个耦合光栅(第三耦合光栅、第四耦合光栅、第五耦合光栅、第六耦合光栅)组成，信号经所述4×4线性可编程矩阵区可同时进行四种不同的逻辑运算操作，再以光的形式分别从所述四个耦合光栅输出。
进一步地，MZI由前端外臂、内臂和后端外臂组成，前端外臂、内臂和后端外臂均由两条光波导组成，光波导上设置有或无热电极，包括8种结构，分别为：1，内臂单个热电极，后端外臂两个热电极；2，内臂单个热电极，后端外臂单个热电极；3，内臂两个热电极，后端外臂两个热电极；4，内臂两个热电极，后端外臂单个热电极；5，内臂单个热电极，前端外臂两个热电极；6，内臂单个热电极，前端外臂单个热电极；7，内臂两个热电极，前端外臂两个热电极；8，内臂两个热电极，前端外臂单个热电极。
进一步地，通过调节施加在所述MZI热电极上的电压，可以改变MZI对应的传输酉矩阵，进而调节所述4×4线性可编程矩阵区至目标矩阵，使其具备可编程的特性。
进一步地，所述4×4线性可编程矩阵区可以由MZI三角形网络组成也可以由MZI矩形网络组成。
进一步地，所述电光调制器为载流子注入型微环，通过掺杂PIN结产生等离子色散效应，其调制速率可达40GHz。
进一步地，所述非线性矩阵映射区中的电光调制器为窄带滤波器件，所述4×4线性可编程矩阵区中的MZI为宽带器件，根据这一性质可以引入多个电光调制器，波分复用，实现多波长并行运算。在理论上，可以引入的波长数为MZI阵列3dB带宽除以微环谐振峰的宽度，实际中所述4×4线性可编程矩阵区3dB带宽为10nm，微环谐振峰宽度为0.2nm，因此可以引入50个波长，即可以在非线性映射区引入50个电光调制器，同时对50路波长进行并行运算。
进一步地，电光调制器为N个，分别为第一电光调制器(11)、第二电光调制器(12)···第N电光调制器(1N)，依次耦合，其谐振波长λ1、λ2···λN分别对应光信号A的波长λ1、λ2···λN。
进一步地，所述逻辑运算芯片总运算速率为单个电光调制器调制速率乘以引入的波长数，再乘以输出端口数4，其总运算速率可达8Tbit/s。
进一步地，光信号在经过所述大容量光电混合可编程逻辑运算芯片损耗较小，可以直接输入后续所述可编程逻辑运算芯片或者其他器件中进行操作，且所述芯片可以实现任意逻辑，通用性强，具备级联及拓展的潜力。
进一步地，所述耦合光栅也可以替换为硅基水平耦合器，用于和外部单模光纤连接。
进一步地，所述大容量光电混合可编程逻辑运算芯片采用的所有器件均由目前已经成熟的硅基工艺平台开发出来，具有大规模应用的潜力。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片采用将信号从二维空间映射到四维空间的方式，使得所述逻辑运算器后续只用对信号进行线性处理，通过内部编程的方式实现任意逻辑操作，从而拓展了该逻辑运算芯片的应用范围；
2、光信号经过本发明提供的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片，只有光波导本身很小的传输损耗，没有非线性效应所产生的损耗，因此损耗低；
3、本发明提供的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片通过引入波分复用技术，可以实现多波长并行运算；
4、本发明提供的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片可以对输入信号同时进行4种不同的逻辑操作，综合运算速率可达到Tbit/s量级；
5、本发明提供的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片采用的所有器件均由目前已经成熟的硅基工艺平台开发出来，与一般商业工艺兼容，且可以实现任意逻辑，通用性强，具备级联可拓展的能力，有大规模应用的潜力。
附图说明
图1是本发明实例提供的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片的结构示意图。
图2是本发明实例提供的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片的实验装置图。
图3是本发明实例提供的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片的电光调制器的示意图，(a)为结构示意图；(b)为在不同逻辑电压信号下的透过频谱；
图4是本发明实例提供的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片的不同结构的MZI示意图；
图5是本发明实例提供的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片的所使用的MZI的示意图，(a)为基本结构图；(b)为由MZI所构成的酉矩阵；(c)为酉矩阵的具体结构示意图；
图6是本发明实例提供的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片的4×4线性可编程矩阵区2的MZI三角形网络结构；
图7是本发明实例提供的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片的4×4线性可编程矩阵区2的MZI矩形网络结构；
图8是本发明实例提供的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片实现逻辑与，或，异或，同或这四种基本逻辑操作输入与输出结果的波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实例的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片，包括非线性矩阵映射区1，4×4线性可编程矩阵区2。图2为在实际运算过程中，本装置所使用的外部系统示意图。连续光和A信号均在片外产生并输入至芯片，电学控制单元控制B信号的加载和MZI热电极的电压，输出的逻辑光信号由片外光学探测器采集从而得到计算结果。
非线性矩阵映射区1包含耦合光栅3、4，MMI 3dB分光器9、10和电光调制器11、12……1N。其中，包含波长λ1、λ2……λN参考连续光从耦合光栅3输入，包含波长λ1、λ2……λN的逻辑信号光A1、A2……AN从光栅4输入。不失一般性，这里规定光强透过率大于-10dB为逻辑1，小于-20dB为逻辑0。由图3中的(a)所示，电光调制器包括电极，微环波导和耦合波导。电信号B1、B2……BN以电压的形式经电极进入到微环波导的PIN结中，微环波导PIN结接收电信号后将载流子注入微环波导的波导中使得该波导的折射率发生改变，从而改变电光调制器的谐振峰。由图3中的(b)所示，此时电光调制器11的谐振峰位于λ1处，即波长为λ1的光不能透过电光调制器。通过改变施加在电光调制器11电极上的电压，即可让谐振峰偏移λ1至λ'1，使λ1可以透过电光调制器。这里规定当施加在电光调制器11上的电压信号B1使谐振峰位于λ1时为逻辑0，当施加在电光调制器11上的电压信号B1使谐振峰位于λ'1时为逻辑1(对于剩下的电光调制器同理)。对于信道6，当B1为0时，λ1为谐振波长，由图3中的(b)可以看出λ1的透过光强小于-20dB，当B1为1时，波长λ1的光可以透过，由图3中的(b)可以看出λ1的透过光强大于-10dB，即满足前述光信号A1的逻辑0和1的定义。而对于信道7，只有当A1和B1同时为逻辑1的情况下，输出光强才大于-10dB，这相当于对A1和B1做逻辑与的非线性操作。此时输入的逻辑光信号A1以及对应输入的逻辑电信号B1总共有如下表的四种不同的组合情况：
| A<sub>1</sub>信号 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| B<sub>1</sub>信号 | 0 | 1 | 0 | 1 |
在经过电光调制器后，各个信道对应的逻辑光信号如下表所示：
| 信道5(参考光) | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 信道6(B<sub>1</sub>信号) | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 信道7(A<sub>1</sub>&B<sub>1</sub>) | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 信道8(A<sub>1</sub>信号) | 0 | 0 | 1 | 1 |
信号在经过电光调制器后从原来的二维空间映射到了四维空间，最后由非线性矩阵映射区1输入到4×4线性可编程矩阵区2中进行线性运算处理。
图4中8种不同结构的MZI均能够组成4×4线性可编程矩阵区2，其功能完全一致。这8种结构分别为：第一MZI31，内臂单个热电极，后端外臂两个热电极；第二MZI32，内臂单个热电极，后端外臂单个热电极；第三MZI33，内臂两个热电极，后端外臂两个热电极；第四MZI34，内臂两个热电极，后端外臂单个热电极；第五MZI35，内臂单个热电极，前端外臂两个热电极；第六MZI36，内臂单个热电极，前端外臂单个热电极；第七MZI37，内臂两个热电极，前端外臂两个热电极；第八MZI38，内臂两个热电极，前端外臂单个热电极。
图6中的MZI三角形网络和图7中的MZI矩形网络均可以实现4×4线性可编程矩阵区2，其原理基本相同。
4×4线性可编程矩阵区2包含16个MZI调制器和4个输出光栅，这里采用MZI31的结构以及图6中的MZI三角形网络来进行后续分析。如图5中的(a)其内臂和外臂相移器对应的相移记成θn、αn和βn，其传输矩阵可以写成标准的SU(2)旋转矩阵：
通过调节各个相移器，可以实现任意的2×2的酉矩阵。如图5中的(b)所示，理论上任意N维度的酉矩阵SU(N)总可以分解成一系列SU(2)旋转子矩阵的乘积。图5中的(c)给出了SU(4)网络的结构示意图，其包含6个MZI结构，依据图中的平面切割，可以得到各个平面的矩阵转换关系。
最终的SU(4)可以表示为：SU(4)＝R3,1R3,2R3,3R2,1R2,2R1,1。
依据上述公式，我们可以配置出相应的MZI光学矩阵计算网络。对于任意的矩阵运算，可以依据奇异值分解(M＝UΣV)来配置光学网络。如图6所示，U和V都是酉矩阵，可以通过两个图5中的(c)中的光学网络分别实现，而Σ为对角矩阵，可以通过4个MZI分别调节每个通道的透过系数来实现。综上，将整个MZI阵列中施加在每一个热电极的电压调节到预定值，即可让MZI阵列实现对应的逻辑运算矩阵，这也是矩阵可编程性的体现。将非线性矩阵映射区输出的四维空间信号输入到对应的逻辑运算矩阵中进行线性处理，即可实现对应的逻辑操作。下面是实现任意逻辑的数学证明：
输入4×4线性可编程矩阵区2的矩阵Min为：
逻辑输出矩阵Mo为：
MZI阵列矩阵ML为：
这三个矩阵满足：Mo＝ML×Min
由上述证明不难看出，将信号从二维空间非线性映射到四维空间，再进行线性运算处理最终实现各种逻辑操作的思路是可行的。在实际运算操作中，4×4线性可编程矩阵区通过编程(调MZI热电极的电压)一次可以实现ML中任意的四行元素，从而同时完成四种不同的逻辑操作。图8是逻辑运算芯片实现逻辑与，或，异或，同或这四种基本逻辑操作输入与输出结果的波形图，也反映了该芯片可以准确的完成相应的逻辑运算操作。
本发明提供了一种大容量光电混合可编程逻辑运算芯片，通过将信号从低维映射到高维，再结合MZI线性可编程网络，从而能够实现任意逻辑操作。并且将窄带的微环电光调制器与宽带的MZI阵列相结合，从而引入波分复用技术，实现多波长并行运算。此外该逻辑运算器还可以对输入信号同时进行4种不同的逻辑运算。其总运算速率可以达到Tbit/s量级。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.大容量光电混合可编程逻辑运算芯片，其特征在于，包括非线性矩阵映射区(1)和4×4线性可编程矩阵区(2)，所述非线性矩阵映射区(1)包括第一耦合光栅(3)、第二耦合光栅(4)、第一MMI 3dB分光器(9)、第二MMI 3dB分光器(10)和电光调制器，所述非线性矩阵映射区(1)的输入为参考连续光、光信号A和电信号B，输出为4个信道，所述第一耦合光栅(3)的输入为参考连续光，经所述第一MMI 3dB分光器(9)后分别进入第一信道(5)和第二信道(6)，所述第二耦合光栅(4)的输入为光信号A，经所述第二MMI 3dB分光器(10)分束后分别进入第三信道(7)和第四信道(8)，电光调制器的输入为电信号B，用于同时调制第二信道(6)和第三信道(7)；所述4×4线性可编程矩阵区(2)包括16个阵列排布的MZI，第三耦合光栅(21)、第四耦合光栅(22)、第五耦合光栅(23)、第六耦合光栅(24)，所述4×4线性可编程矩阵区(2)的输入为非线性矩阵映射区(1)的4个输出信道，输出为4维逻辑矩阵，所述16个阵列排布的MZI包括4个输入端口和4个输出端口，4个输入端口与非线性矩阵映射区(1)的四个信道分别连接，4个输出端口分别与第三耦合光栅(21)~第六耦合光栅(24)连接；
所述非线性矩阵映射区(1)用于将电信号B加载到光域上并同时将输入的光信号A和电信号B从二维空间映射到四维空间中，所述4×4线性可编程矩阵区(2)用于将四维空间的信号做线性矩阵变换，从而对输入的光信号A和电信号B完成相应的逻辑操作。
2.根据权利要求1所述的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片，其特征在于，所述电光调制器用于同时调制第二信道(6)和第三信道(7)，将电信号B加载到光域、将光信号A与电信号B做逻辑与操作，从而使得光信号A和电信号B在经过非线性矩阵映射区(1)后，从二维空间映射到四维空间中。
3.根据权利要求2所述的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片，其特征在于，所述4×4线性可编程矩阵区(2)用于同时进行四种不同的逻辑运算操作，从所述第三耦合光栅(21)~第六耦合光栅(24)输出目标矩阵。
4.根据权利要求3所述的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片，其特征在于，所述MZI由前端外臂、内臂和后端外臂组成，前端外臂、内臂和后端外臂均由两条光波导组成，光波导上设置有或无热电极，包括8种结构，分别为：第一MZI(31)，内臂单个热电极，后端外臂两个热电极；第二MZI(32)，内臂单个热电极，后端外臂单个热电极；第三MZI(33)，内臂两个热电极，后端外臂两个热电极；第四MZI(34)，内臂两个热电极，后端外臂单个热电极；第五MZI(35)，内臂单个热电极，前端外臂两个热电极；第六MZI(36)，内臂单个热电极，前端外臂单个热电极；第七MZI(37)，内臂两个热电极，前端外臂两个热电极；第八MZI(38)，内臂两个热电极，前端外臂单个热电极。
5.根据权利要求4所述的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片，其特征在于，通过调节施加在所述MZI热电极上的电压，可以改变对应MZI的传输酉矩阵。
6.根据权利要求3所述的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片，其特征在于，所述MZI阵列为三角形网络或者矩形网络。
7.根据权利要求2所述的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片，其特征在于，所述电光调制器为载流子注入型微环调制器，其调制速率为40GHz，谐振峰宽度为0.2nm。
8.根据权利要求3所述的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片，其特征在于，所述4×4线性可编程矩阵区(2)的带宽为10nm。
9.根据权利要求2所述的大容量光电混合可编程逻辑运算芯片，其特征在于，所述电光调制器为N个，分别为第一电光调制器（11）、第二电光调制器（12）···第N电光调制器（1N），依次耦合，其谐振波长λ1、λ2···λN分别对应光信号A的波长λ1、λ2···λN。
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