CN113721321A - 一种光子计算芯片 - Google Patents

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Abstract

本申请公开的一种光子计算芯片，包括沿光信号传输方向依次相接的输入波导、光子计算网络、输出波导以及接收器，采用雪崩光电二极管作为接收器，来获取输出波导传输的光信号，由于雪崩光电二极管的增益比PIN光电二极管高，因此即使在光信号存在损耗的情况下，也能够对光信号进行识别及转换。

Description

一种光子计算芯片
技术领域
本申请涉及光子计算技术领域，尤其涉及一种光子计算芯片。
背景技术
随着深度学习的计算需求增长，目前已使用光子来执行神经网络运算操作。传统的光子计算芯片如图1所示，其输入为激光器发出的光信号，该光信号承载了一系列神经网络数据，通过多个输入波导10将多路光信号传输至光子计算网络20。光子计算网络20由多层相对应的耦合器201和移相器202等组合而成，用于对光信号所承载的数据执行卷积运算，针对执行完卷积计算之后得到的光信号，再通过多个输出波导30分别传输至多个接收器40，接收器通常为PIN光电二极管，能够将光信号转换为电信号发送出去。
光信号在芯片中进行传输时，会存在光学损耗，因此输出波导30传输至接收器40的光信号可能会比较薄弱，从而导致PIN光电二极管无法识别。
发明内容
为了解决输出波导传输至接收器的光信号可能会比较薄弱，从而导致PIN光电二极管无法识别的技术问题，本申请通过以下实施例公开了一种光子计算芯片。
本申请第一方面公开了一种光子计算芯片，包括：沿光信号传输方向依次相接的输入波导、光子计算网络、输出波导以及接收器；
所述光子计算网络包括至少一个光子计算网络单元；所述至少一个光子计算网络单元沿所述光信号传输方向依次相接；每个所述光子计算网络单元用于对接收到的光信号所承载的数据执行运算；
所述输入波导包括多个，分别接至所述光子计算网络的输入端，所述输入波导用于将激光器发出的光信号传输至所述光子计算网络；
所述输出波导包括多个，分别接至所述光子计算网络的输出端，所述输出波导用于将光子计算网络输出的光信号传输至所述接收器；
所述接收器包括多个，分别与每个所述输出波导相接；
所述接收器为雪崩光电二极管。
可选的，所述接收器为硅锗雪崩光电二极管。
可选的，单个所述光子计算网络单元对光信号产生的衰减与光子计算网络单元个数之间的乘积小于或等于目标差值，所述目标差值为所述激光器发出的光信号功率与单个所述硅锗雪崩光电二极管的灵敏度之间的差值。
可选的，还包括至少一个光分路器；
每个所述光分路器用于接收所述输入波导传输的原始光信号，并将所述原始光信号分成预设路数的光信号传输至所述光子计算网络。
可选的，每路光信号相较于所述原始光信号的衰减与所述光子计算网络对光信号产生的衰减之间的和，小于或等于目标差值，所述目标差值为所述激光器发出的光信号功率与单个所述硅锗雪崩光电二极管的灵敏度之间的差值。
可选的，所述光分路器的分路数大于等于二。
可选的，所述光分路器的分路数大于等于五，且小于等于六十四。
可选的，所述输出波导的数量小于或等于所述输入波导的数量；
所述激光器的数量与所述光分路器的数量一致。
本申请实施例公开的光子计算芯片，包括沿光信号传输方向依次相接的输入波导、光子计算网络、输出波导以及接收器，采用雪崩光电二极管作为接收器，来获取输出波导传输的光信号，由于雪崩光电二极管的增益比PIN光电二极管高，因此即使在光信号存在损耗的情况下，也能够对光信号进行识别及转换。
附图说明
图1为传统的光子计算芯片的结构示意图；
图2为本申请实施例公开的一种光子计算芯片的结构示意图；
图3为本申请实施例公开的又一种光子计算芯片的结构示意图；
图4为本申请实施例公开的另一种光子计算芯片的结构示意图。
具体实施方式
为了解决输出波导传输至接收器的光信号可能会比较薄弱，从而导致PIN光电二极管无法识别的技术问题，本申请通过以下实施例公开了一种光子计算芯片。
参见图2，本申请第一实施例公开了一种光子计算芯片，包括：沿光信号传输方向依次相接的输入波导10、光子计算网络20、输出波导30以及接收器40。
所述光子计算网络20包括至少一个光子计算网络单元200。所述至少一个光子计算网络单元200沿所述光信号传输方向依次相接。每个所述光子计算网络单元200用于对接收到的光信号所承载的数据执行运算。通常，光子计算网络单元主要执行卷积运算。
所述输入波导10包括多个，分别接至所述光子计算网络20的输入端，所述输入波导10用于将激光器发出的光信号传输至所述光子计算网络20。
所述输出波导30包括多个，分别接至所述光子计算网络20的输出端，所述输出波导30用于将光子计算网络20输出的光信号传输至所述接收器40。所述接收器40包括多个，分别与每个所述输出波导30相接。
所述接收器40为雪崩光电二极管，雪崩光电二极管的增益(灵敏度)能达到3dB-30dB，实际应用中，可以根据设计需求以及光信号衰减的程度，选取相应灵敏度的雪崩光电二极管作为本实施例中的接收器，使得接收器能够识别到输出波导发送过来的光信号。
本申请实施例公开的光子计算芯片，包括沿光信号传输方向依次相接的输入波导、光子计算网络、输出波导以及接收器，采用雪崩光电二极管作为接收器，来获取输出波导传输的光信号，由于雪崩光电二极管的增益比PIN光电二极管高，因此即使在光信号存在损耗的情况下，也能够对光信号进行识别及转换。
在一种实现方式中，本实施例采用硅锗雪崩光电二极管401作为接收器。硅锗雪崩光电二极管的增益(灵敏度)能达到3dB-30dB。硅锗雪崩光电二极管由硅片上增加锗光电吸收层制成，其中锗光电吸收层由本征锗(Ge)、硅锗(SiGe)合金或硅锗碳(SiGeC)合金制成。由于硅锗加工工艺与传统的工艺能够兼容，因此硅锗雪崩光电二极管更易集成到光子计算芯片中，能够降低制造成本。
本实施例中，设定目标差值为所述激光器发出的光信号功率与单个所述硅锗雪崩光电二极管的灵敏度之间的差值，光子计算网络20对输入的光信号造成的衰减等于单个所述光子计算网络单元200对光信号产生的衰减与光子计算网络单元200个数之间的乘积。只要光子计算网络20对输入的光信号造成的衰减小于或等于目标差值，便可以将光信号的衰减抵消，使得硅锗雪崩光电二极管401能够接收并识别出光信号。
作为示例，若光子计算网络20包括两个光子计算网络单元200，每个光子计算网络单元200对输入的光信号造成的衰减为3dB，那么硅锗雪崩光电二极管401的增益在6dB以上，就可以弥补光子计算网络对原始光信号造成的损耗。
作为示例，若光子计算网络20包括八个光子计算网络单元200，每个光子计算网络单元200对输入的光信号造成的衰减为3dB，那么硅锗雪崩光电二极管401的增益在24dB以上，就可以弥补光子计算网络对原始光信号造成的损耗。
相较于传统的光子计算芯片，本实施例提供的光子计算芯片，基于硅锗雪崩光电二极管，可以设置多个光子计算网络单元，增加光子计算网络的深度，优化光子计算网络的计算性能，提高光子计算芯片的集成度。
参见图3，本实施例公开的光子计算芯片还包括至少一个光分路器50。每个所述光分路器50用于接收所述输入波导10发出的原始光信号，并将所述原始光信号分成预设路数的光信号传输至所述光子计算网络20。
实际应用中，所述输出波导的数量一般小于或等于所述输入波导的数量。
当光子计算芯片包括光分路器50时，每路光信号相较于所述原始光信号的衰减与所述光子计算网络20对光信号产生的衰减之间的和，小于或等于所述目标差值，便可以将光信号的衰减抵消，使得硅锗雪崩光电二极管401能够接收并识别出光信号。
在一种实现方式中，所述光分路器的分路数大于等于二。
作为示例，若光分路器的分路数为二，即，将原始光信号分二路光信号分别传输至光子计算网络20，此时单路光信号的损耗为3dB，只要硅锗雪崩光电二极管的增益在3dB以上，就可以弥补光分路器对原始光信号造成的损耗。若光子计算网络20仅包括一个光子计算网络单元200，对输入的光信号造成的衰减为3dB，那么硅锗雪崩光电二极管401的增益在6dB以上，就可以弥补光子计算网络和光分路器对原始光信号造成的损耗。若光子计算网络包括三个光子计算网络单元200，对输入的光信号造成的衰减为9dB，那么硅锗雪崩光电二极管401的增益在12dB以上，就可以弥补光子计算网络和光分路器对原始光信号造成的损耗。
在另一种实现方式中，所述光分路器的分路数大于等于二，且小于等于一百。
作为示例，若光分路器的分路数为一百，即，将原始光信号分为一百路光信号分别传输至光子计算网络20，此时单路光信号的损耗为20dB，只要硅锗雪崩光电二极管401的增益在20dB以上，就可以弥补光分路器对原始光信号造成的损耗。若光子计算网络20仅包括一个光子计算网络单元200，对输入的光信号造成的衰减为3dB，那么硅锗雪崩光电二极管401的增益在23dB以上，就可以弥补光子计算网络和光分路器对原始光信号造成的损耗。若光子计算网络包括三个光子计算网络单元200，对输入的光信号造成的衰减为9dB，那么硅锗雪崩光电二极管401的增益在29dB以上，就可以弥补光子计算网络和光分路器对原始光信号造成的损耗。
一种实现方式中，所述光分路器的分路数大于等于五，且小于等于六十四。
作为示例，若光分路器的分路数为六十四，即，将原始光信号分为六十四路光信号分别传输至光子计算网络20，此时单路光信号的损耗为18dB，只要硅锗雪崩光电二极管的增益在18dB以上，就可以弥补光分路器对原始光信号造成的损耗。若光子计算网络20仅包括一个光子计算网络单元200，对输入的光信号造成的衰减为3dB，那么硅锗雪崩光电二极管401的增益在21dB以上，就可以弥补光子计算网络和光分路器对原始光信号造成的损耗。若光子计算网络包括三个光子计算网络单元200，对输入的光信号造成的衰减为9dB，那么硅锗雪崩光电二极管401的增益在27dB以上，就可以弥补光子计算网络和光分路器对原始光信号造成的损耗。
作为示例，若光分路器的分路数为八，即，将原始光信号分八路光信号分别传输至光子计算网络20，此时单路光信号的损耗为9dB，只要硅锗雪崩光电二极管的增益在9dB以上，就可以弥补光分路器对原始光信号造成的损耗。若光子计算网络20仅包括一个光子计算网络单元200，对输入的光信号造成的衰减为3dB，那么硅锗雪崩光电二极管401的增益在12dB以上，就可以弥补光子计算网络和光分路器对原始光信号造成的损耗。若光子计算网络包括三个光子计算网络单元200，对输入的光信号造成的衰减为9dB，那么硅锗雪崩光电二极管401的增益在18dB以上，就可以弥补光子计算网络和光分路器对原始光信号造成的损耗。
作为示例，若光分路器的分路数为五，即，将原始光信号分五路光信号分别传输至光子计算网络20，此时单路光信号损耗为7dB，只要硅锗雪崩光电二极管的增益在7dB以上，就可以弥补光分路器对原始光信号造成的损耗。若光子计算网络20仅包括一个光子计算网络单元200，对输入的光信号造成的衰减为3dB，那么硅锗雪崩光电二极管401的增益在10dB以上，就可以弥补光子计算网络和光分路器对原始光信号造成的损耗。若光子计算网络包括三个光子计算网络单元200，对输入的光信号造成的衰减为9dB，那么硅锗雪崩光电二极管401的增益在16dB以上，就可以弥补光子计算网络和光分路器对原始光信号造成的损耗。
本实施例中，在确保硅锗雪崩光电二极管401能够识别光信号的基础上，可以采用光分路器对激光器发射的原始光信号进行分路，如此可以减少激光器的需求数量，降低使用成本。
针对传统的光子计算芯片，若光子计算网络的宽度为16，即输入为16路的光信号，那么便需要采用16个激光器提供16路光信号，才能使光电二极管能接收并识别出输出的光信号。
本实施例中，激光器的数量与光分路器的数量一致。结合图3，若光子计算网络20的宽度为16，可以采用两个分路数为八的光分路器，如此，只需要两个激光器，便可以提供16路光信号。实际应用中，若采用16个激光器，结合分路数为八的光分路器，便可以提供128路的光信号至本实施例中的光子计算芯片，如此便可以将光子计算网络的宽度拓宽为原来的八倍，进而提高光子计算芯片的集成度。
基于硅锗雪崩光电二极管401，本实施例可以设置多个光子计算网络单元200和多个光分路器进行结合，增加光子计算芯片的集成度。参见图4，光子计算网络20设置两个光子计算网络单元200，并且采用了分路数为二的光分路器，这种情况下，光子计算网络及光分路器对原始光信号造成的损耗为9dB，如此，硅锗雪崩光电二极管的增益在9dB以上即可。
实际应用中，本实施例可以根据硅锗雪崩光电二极管的增益，对光子计算网络的宽度、深度以及光分路器的分路数进行组合。如此能够成倍的增加光子计算网络的深度及宽度，提高光子计算网络的性能，提高光子计算芯片的集成度。并且还可以降低激光器的需求数量，减少生产成本。另外，本实施例提供的光子计算芯片，其中的硅锗加工工艺与传统的工艺能够兼容，如此可以降低制造成本，具有较高的应用推广价值。
本实施例公开的光子计算芯片能够提高光子计算芯片总的链路预算，增加光子计算网络的深度和宽度，提高集成度，优化光子计算网络的性能，且硅锗工艺与传统CMOS工艺兼容，光分路器和硅锗雪崩光电二极管都可以集成在同一芯片中，集成度很高。虽然性能成倍增加，但成本增加很少，具有较高的实用价值。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种光子计算芯片，其特征在于，包括：沿光信号传输方向依次相接的输入波导、光子计算网络、输出波导以及接收器；
所述光子计算网络包括至少一个光子计算网络单元；所述至少一个光子计算网络单元沿所述光信号传输方向依次相接；每个所述光子计算网络单元用于对接收到的光信号所承载的数据执行运算；
所述输入波导包括多个，分别接至所述光子计算网络的输入端，所述输入波导用于将激光器发出的光信号传输至所述光子计算网络；
所述输出波导包括多个，分别接至所述光子计算网络的输出端，所述输出波导用于将光子计算网络输出的光信号传输至所述接收器；
所述接收器包括多个，分别与每个所述输出波导相接；
所述接收器为雪崩光电二极管。
2.根据权利要求1所述的光子计算芯片，其特征在于，所述接收器为硅锗雪崩光电二极管。
3.根据权利要求2所述的光子计算芯片，其特征在于，单个所述光子计算网络单元对光信号产生的衰减与光子计算网络单元个数之间的乘积小于或等于目标差值，所述目标差值为所述激光器发出的光信号功率与单个所述硅锗雪崩光电二极管的灵敏度之间的差值。
4.根据权利要求2或3所述的光子计算芯片，其特征在于，还包括至少一个光分路器；
每个所述光分路器用于接收所述输入波导传输的原始光信号，并将所述原始光信号分成预设路数的光信号传输至所述光子计算网络。
5.根据权利要求4所述的光子计算芯片，其特征在于，每路光信号相较于所述原始光信号的衰减与所述光子计算网络对光信号产生的衰减之间的和，小于或等于目标差值，所述目标差值为所述激光器发出的光信号功率与单个所述硅锗雪崩光电二极管的灵敏度之间的差值。
6.根据权利要求5所述的光子计算芯片，其特征在于，所述光分路器的分路数大于等于二。
7.根据权利要求6所述的光子计算芯片，其特征在于，所述光分路器的分路数大于等于五，且小于等于六十四。
8.根据权利要求4所述的光子计算芯片，其特征在于，所述输出波导的数量小于或等于所述输入波导的数量；
所述激光器的数量与所述光分路器的数量一致。
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