CN114706161B - 一种基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器 - Google Patents

一种基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器，包括：光学计算模块、电学控制模块；光学计算模块包括：光源阵列，用于输出光信号；输入单元，用于接收所述光信号，并动态调整光信号的频率与强度分布以及按功率对调制后的光信号进行均等分配；乘法单元，用于接收输入单元输出的光信号，并结合预设的乘法矩阵进行乘法运算；输出单元，用于输出计算结果的电流信号；电学控制模块包括：光源驱动单元；调制器驱动单元，用于驱动所述输入单元与乘法单元进行调制。本申请利用片上频率变换和并行流计算技术可有效地增加计算的准确度和精度，数据的传输带宽，提高信息传输容量，以此使得光芯片的集成度更高，从而降低系统的延迟。

Description

一种基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器
技术领域
本申请涉及集成光电信息处理技术领域。尤其是涉及一种基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器。
背景技术
在高速发展的信息化时代，云计算、物联网技术、大数据分析等各类信息技术的快速发展，对高性能计算的硬件平台提出了较高的要求。目前，信息处理技术的执行平台主要基于电子芯片，然而伴随着摩尔定律发展进程的变缓，集成电子芯片面临的发展瓶颈也逐渐显露，如晶体管尺寸不断缩小带来的热失控问题，将使得电子芯片性能的进一步提升受到限制；另一方面，通过增加处理器数量来提高计算吞吐量的方法，也由于系统中并行计算程序所占的比例有限而使加速比的提升受限。在这样的背景下，光计算的研究逐渐成为一个新的热点，其中的光学矩阵矢量处理器充分利用了光固有的并行处理能力，并且在诸多计算任务中发挥着优越的性能，受到越来越多研究者的关注。基于硅基光电子技术的片上集成光子芯片，不但同样可实现高并行化程度的计算架构，而且具有更高的集成度与更低的延迟时间，同时其与CMOS工艺相兼容，便于与现有的电子硬件实现光电混合集成，结合光与电在信息处理中各自具备的优势，将有望为特定计算问题提供一种更高性能的专用处理器。
在神经网络、图像处理、时间序列数据处理、储备池计算等涉及到大量矩阵线性计算的问题上，相比通用电子芯片，专用的光子处理器可以用更低的延迟与能耗完成相同的计算量。片上集成光学矩阵矢量处理器就是面向这类问题的一种解决方案：线性变换的过程以光速传输、并行处理，且目前技术可实现的片上光电探测器的带宽可达到GHz量级，这些特点将显著降低系统的总延迟；除因系统中电学部分消耗的电能与光源功耗，片上集成光学矩阵矢量处理器不需要注入额外的能量，就可以完成矩阵与矢量的乘法运算过程，使得该类光学矩阵矢量处理器具有较高的能量效率。
片上集成光学矩阵矢量处理器的乘法单元是整个系统的核心器件，目前主要采用的是马赫·曾德尔调制器，其将数据编码在相位上。由于控制电压和热噪声的影响，将大大限制光学矩阵矢量处理器的计算精度和准确度。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器，用于解决现有技术由于控制电压和热噪声的影响而限制光学矩阵矢量处理器的计算精度和准确度的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器，所述处理器包括：光学计算模块、电学控制模块；所述光学计算模块包括：光源阵列，用于输出光信号；输入单元，用于接收所述光信号，并动态调整光信号的频率与强度分布以及按功率对调制后的光信号进行均等分配；乘法单元，用于接收所述输入单元输出的光信号，并结合预设的乘法矩阵进行乘法运算；输出单元，用于输出表征矩阵矢量与光矢量进行点积得到的计算结果的电流信号；所述电学控制模块包括：光源驱动单元，用于驱动所述光源阵列；调制器驱动单元，用于驱动所述输入单元与乘法单元进行调制。
于本申请的一实施例中，所述电学控制模块还包括：跨阻放大器单元，用于将所述输出单元输出的电流信号转换为电压信号并进行放大；存储单元，用于存储或读取调制编码关系以及计算结果，模数转换单元，用于将所述跨阻放大器单元输出的电信号由模拟信号转换为数字信号，并存储至存储单元；数模转换单元，用于将所述存储单元存储的调制编码关系对应的数字信号转换为模拟信号，并传输至调制器驱动单元。
于本申请的一实施例中，所述调制器驱动单元将所述数模转换单元输出的表征调制编码关系的模拟电压信号加载到所述输入单元，所述输入单元分别对输入的光信号进行调制从而改变光信号的频率强度分布。
于本申请的一实施例中，所述乘法单元包括：二维阵列排布的乘法器，各所述乘法器具有双输出端口；其中，上输出端口用于将输出光耦合至向上传输的波导中；下输出端口用于将输出光耦合至向下传输的波导中；功率分配器，布设于各所述乘法器之间的通道上；所述功率分配器包括：由多个定向耦合器串联构成的定向耦合单元、及光互连波导单元；其中，所述功率分配器中不同波长通道通过所述定向耦合器分束后的传输波导若存在交叉处，则用所述光互连波导单元连接。
于本申请的一实施例中，所述乘法器包括：多个频率振幅编码单元，各频率振幅编码单元的输入端与所述功率分配器的输出端相连；多个频率强度编码单元，其包括：正交相位调制器，用于对输入矢量加载正交频率；所述正交相位调制器包括：相移器、第一多模干涉耦合器；所述第一多模干涉耦合器为一输入两输出；非对称马赫-曾德尔调制器，用于改变上输出端口与下输出端口的功率分配；所述非对称马赫-曾德尔调制器包括：第二多模干涉耦合器；所述第二多模干涉耦合器为两输入两输出。
于本申请的一实施例中，所述定向耦合单元的数量与矩阵的行或列向量数量相同；各所述定向耦合单元内的定向耦合器的数量与矩阵的列或行向量数量相同。
于本申请的一实施例中，所述定向耦合单元在波导耦合间距相同的情况下，令每个所述定向耦合单元采用不同的有效耦合长度，以确定每个所述定向耦合单元中所有定向耦合器的功率分束比，以使每个定向耦合单元输出的光信号功率均相等。
于本申请的一实施例中，所述输出单元包括：分别连接各所述乘法器的上输出端口和下输出端口的第一探测器和第二探测器；其中，通过采集所述第一探测器与第二探测器分别输出的光电流的差值，以表征矩阵矢量与光矢量进行点积得到的结果信息。
于本申请的一实施例中，所述输入单元动态调整光信号的频率与强度分布的方式为电光调制；其中，通过对电极材料施加电压以产生电场，在电极材料非线性性质的作用下使得器件材料的折射率发生变化，进而改变器件的光学性能，实现权重矩阵与输入矢量的光学频率编码。
如上所述，本申请的一种基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器，包括：光学计算模块、电学控制模块；所述光学计算模块包括：光源阵列，用于输出光信号；输入单元，用于接收所述光信号，并动态调整光信号的频率与强度分布以及按功率对调制后的光信号进行均等分配；乘法单元，用于接收所述输入单元输出的光信号，并结合预设的乘法矩阵进行乘法运算；输出单元，用于输出表征矩阵矢量与光矢量进行点积得到的计算结果的电流信号；所述电学控制模块包括：光源驱动单元，用于驱动所述光源阵列；调制器驱动单元，用于驱动所述输入单元与乘法单元进行调制。
具有以下有益效果：
本发明提供的一种基于频率编码的片上集成光学矩阵-矢量乘法流处理器，利用片上频率变换和并行流计算技术可有效地增加计算的准确度和精度，数据的传输带宽，提高信息传输容量，以此使得光芯片的集成度更高，从而降低系统的延迟。该片上集成光学矩阵矢量乘法流处理器的提出，为加速线性计算提供了一种具有潜力的硬件架构。
附图说明
图1显示为本申请于一实施例中基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器的模块示意图。
图2显示为本申请于一实施例中光源阵列及输入单元的结构示意图。
图3显示为本申请于一实施例中乘法单元的结构示意图。
图4显示为本申请于一实施例中频率强度编码单元的结构示意图。
图5显示为本申请于一实施例中四组定向耦合单元的结构示意图。
图6A显示为本申请于一实施例中基于频率编码的计算方式误差的模型示意图。
图6B显示为本申请于一实施例中基于相位编码的计算方式误差的模型示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面以附图为参考，针对本申请的实施例进行详细说明，以便本申请所属技术领域的技术人员能够容易地实施。本申请可以以多种不同形态体现，并不限定于此处说明的实施例。
为了明确说明本申请，省略与说明无关的部件，对于通篇说明书中相同或类似的构成要素，赋予了相同的参照符号。
虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，第一接口及第二接口等描述。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
此处使用的专业术语只用于言及特定实施例，并非意在限定本申请。此处使用的单数形态，只要语句未明确表示出与之相反的意义，那么还包括复数形态。在说明书中使用的“包括”的意义是把特定特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份具体化，并非排除其它特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份的存在或附加。
上集成光学矩阵矢量处理器的乘法单元是整个系统的核心器件，目前主要采用的是马赫曾德尔调制器，其将数据编码在相位上。由于控制电压和热噪声的影响，将大大限制光学矩阵矢量处理器的计算精度和准确度。若采用被动的非平衡的马赫曾德尔调制器，将数据编码在光的频率上，利用光的高带宽性质，则可以大大提高模拟乘法运算的计算精度和准确度。
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量乘法流处理器，利用片上频率变换和并行流计算技术可有效地增加计算的准确度和精度，数据的传输带宽，提高信息传输容量，以此使得光芯片的集成度更高，从而降低系统的延迟。该片上集成光学矩阵矢量乘法流处理器的提出，为加速线性计算提供了一种具有潜力的硬件架构。
如图1所示，展示本申请于一实施例中的基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器的模块示意图。其中，虚线为框架线，非本发明中的任何一个实际对象，传输路线中细实线箭头为光学波导、粗箭头线为电学连接部分。如图所述，所述处理器包括：
所述光学计算模块1包括：光源阵列11，用于输出光信号；输入单元12，用于接收所述光信号，并动态调整光信号的频率与强度分布以及按功率对调制后的光信号进行均等分配；乘法单元13，用于接收所述输入单元12输出的光信号，并结合预设的乘法矩阵进行乘法运算；输出单元14，用于输出表征矩阵矢量与光矢量进行点积得到的计算结果的电流信号。
所述电学控制模块2包括：光源驱动单元21，用于驱动所述光源阵列11；调制器驱动单元22，用于驱动所述输入单元12与乘法单元13进行调制；跨阻放大器单元13，用于将所述输出单元14输出的电流信号转换为电压信号并进行放大；存储单元16，用于存储或读取调制编码关系以及计算结果，模数转换单元14，用于将所述跨阻放大器单元13输出的电信号由模拟信号转换为数字信号，并存储至存储单元16；数模转换单元15，用于将所述存储单元16存储的调制编码关系对应的数字信号转换为模拟信号，并传输至调制器驱动单元22。
简单来说，首先光源阵列11由光源驱动单元21控制同时产生多路不同频率的等振幅的光信号作为本发明片上集成光学矩阵矢量处理器的输入信号。光源阵列11首先进入到输入单元12，输入单元12受调制器驱动单元22控制对输入单元12进行频率强度编码，并将其输入到并行的乘法单元13中进行矩阵和矢量的乘法计算。计算结果通过输出单元14由光信号转换为电流信号，并由跨阻放大器单元13将电流信号转换为电压信号并进行放大，最终模数转换单元14将模拟的电压信号转换为数字信号进行同步实时采集，采集得到的数据由存储到存储单元16以等待后续的处理。同时，存储单元16还存储有调制编码关系，以供调制器驱动单元22调取调制编码关系来驱动所述输入单元12与乘法单元13进行调制。
于本申请一实施例中，所述调制器驱动单元22将所述数模转换单元15输出的表征调制编码关系的模拟电压信号加载到所述输入单元12，所述输入单元12分别对输入的光信号进行调制从而改变光信号的频率强度分布。
如图2所示，为本发明光源阵列11及输入单元12的结构示意图，具体实施例如下：
首先在输入单元12中对输入光信号进行处理。光源驱动单元21首先同步控制光源阵列11输出光信号数模转换单元15从存储单元16中读取频率和输入矢量的对应调制编码关系，输出对应电压信号/> 分别由调制器驱动单元22同步地加载到一一对应的输入单元12的电极材料上，对υ1、υ2、υ3、…、υn通道的输入光信号分别进行调制，使输入单元12输出的频率-强度分布动态改变，实现输入矢量的初步编码，υ1、υ2、υ3、…、υn通道的光经过输入单元12调制后的光功率分布为|A|2[T1(δυ1) T2(δυ2) T3(δυ3) … Tn(δυn)]T，其中[T1(δυ1) T2(δυ2) T3(δυ3) … Tn(δυn)]T对应于输入矢量[x1x2x3 … xn]T。完成输入矢量编码后，将编码后的光输入到乘法单元13。
于本申请一实施例中，所述输入单元12动态调整光信号的频率与强度分布的方式为电光调制；其中，通过对电极材料施加电压以产生电场，在电极材料非线性性质的作用下使得器件材料的折射率发生变化，进而改变器件的光学性能，实现权重矩阵与输入矢量的光学频率编码。
简单来说，本发明所述输入单元12的光学频率调制与编码过程可以通过电光调制的方式完成，即在各个光集成器件上方沉积电极材料(如金等)，通过对电极材料施加电压使其产生电场，在材料非线性性质的作用下使得器件材料的折射率发生变化，进而改变器件的光学性能，实现权重矩阵与输入矢量的光学频率编码。本发明中需要调制的器件，如输入单元12，可通过数模转换单元15将计算机产生的数字信号转化为模拟电压信号同步地加载到待调制器件上方的电极材料上。
如图3所示，展示为乘法单元13的结构示意图。如图3所示，所述乘法单元13包括：乘法器131和功率分配器132。
所述乘法器131呈二维阵列排布，各所述乘法器131具有双输出端口；其中，上输出端口用于将输出光耦合至向上传输的波导中；下输出端口用于将输出光耦合至向下传输的波导中。
于本申请一实施例中，所述乘法器131包括：多个频率振幅编码单元与多个频率强度编码单元，各频率振幅编码单元的输入端与所述功率分配器132的输出端相连。
由于矩阵和矢量的乘法可以表示为矩阵的行向量乘输入矢量，所述乘法单元13中的每一列的工作原理即为完成矩阵的行向量与输入矢量乘法，为了便于描述实施例，以其中一列乘法器131为例，说明一组并行的乘法器131的工作原理：
具体来说，一组并行的乘法器131，每个乘法器131包括多个频率振幅编码单元与多个频率强度编码单元，每个频率振幅编码单元的输入端与功率分配器132对应的输出端相连。输入到该乘法器131中的各个频率强度编码单元的光功率分布应为乘法器131中的每个频率强度编码单元分别对应于矩阵行向量为[w11(δυ11)w12(δυ12)w13(δυ13)…w1n(δυ1n)]。
如图4所示，展示为频率强度编码单元的结构示意图。所述频率强度编码单元包括：如图4中左侧虚框展示的正交相位调制器1311，以及如图4中右侧虚框展示的非对称马赫-曾德尔调制器1312。
优选地，正交相位调制器1311，用于对输入矢量加载正交频率；所述正交相位调制器1311包括：相移器13112、第一多模干涉耦合器13111；所述第一多模干涉耦合器13111为一输入两输出。
具体来说，输入光进入正交相位调制器1311后，通过1×2(一输入两输出)的第一多模干涉耦合器13111，将输入光分成两束并各自进入下一级2路1×2(一输入两输出)的第一多模干涉耦合器13111中分成四路等功率的光，其中两路包括相移器13112，其工作方式可采用上述的电光调制；相移器13112通过分别对两路光加载正交的频率为δυj电压信号可改变最终输入到非对称马赫-曾德尔调制器1312光的频率υj+δυj。
优选地，所述非对称马赫-曾德尔调制器1312用于改变上输出端口与下输出端口的功率分配；所述非对称马赫-曾德尔调制器1312包括：第二多模干涉耦合器13121；所述第二多模干涉耦合器13121为两输入两输出。
需要说明的是，本申请采用被动的非对称马赫-曾德尔调制器1312，将数据编码在光的频率上，利用光的高带宽性质，则可以大大提高模拟乘法运算的计算精度和准确度。
具体来说，非对称马赫-曾德尔调制器1312先通过1×2(一输入两输出)的第一多模干涉耦合器以将输入光分成两束，其中一束光路A的长度要比另一束光路B的长度要长，使得2×2(两输入两输出)第二多模干涉耦合器13121两个入射端口的光的相位差根据输入光频率υj+δυj发生改变，从而动态改变2×2(两输入两输出)第二多模干涉耦合器13121两个输出端口的透过率，进而实现频率强度编码单元上输出端口与下输出端口功率分配比的动态变化。
理想情况下，经过正交相位调制器1311调制后，非对称马赫-曾德尔调制器1312两个输出端口各自的透过率随输入光频率υj+δυj变化趋势为正弦型曲线，且频率下第二多模干涉耦合器13121两个输出端口的透过率之和为1；对于输入光频率υj(j＝1,2,3,…,n)，当正交相位调制器1311移频δυj时，非对称马赫-曾德尔调制器1312的上输出端口的透过率为αj1(δυj)，下输出端口的透过率为αj2(δυj)＝1-αj1(δυj)，上输出端口的光功率为下输出端口的光功率为/>
于本申请中，所述功率分配器132，布设于各所述乘法器131之间的通道上；所述功率分配器132包括：由多个定向耦合器串联构成的定向耦合单元1321、及光互连波导单元1322；其中，所述功率分配器132中不同波长通道通过所述定向耦合器分束后的传输波导若存在交叉处，则用所述光互连波导单元1322连接。
需要说明的是，本发明中对不同波长通道的交叉处，采用相同的光互连波导单元1322连接不同通道，所述光互连波导单元1322在工作波长范围内具有低插损、低串扰的特性，可提高片本申请片上集成光学矩阵矢量处理器的集成度。
于本申请一实施例中，所述定向耦合单元1321的数量与矩阵的行或列向量数量相同；各所述定向耦合单元1321内的定向耦合器的数量与矩阵的列或行向量数量相同。
于本申请一实施例中，所述定向耦合单元1321在波导耦合间距相同的情况下，令每个所述定向耦合单元1321采用不同的有效耦合长度，以确定每个所述定向耦合单元1321中所有定向耦合器的功率分束比，以使每个定向耦合单元1321输出的光信号功率均相等。
如图5所示，展示为本发明于一实施例中四组定向耦合单元1321的结构示意图。举例来说，本发明于一实施例中以四组定向耦合单元1321A-1321D。根据倏逝波耦合理论，n组定向耦合单元1321在波导耦合间距相同的情况下，采用不同的有效耦合长度，使得定向耦合单元1321A中所有定向耦合器的功率分束比为1/n，定向耦合单元1321B中所有定向耦合器的功率分束比为1/n-1，定向耦合单元1321C中所有定向耦合器的功率分束比为1/n-2，定向耦合单元1321D中所有定向耦合器的功率分束比为1/(n-(n-1))。这样设计的目的是：对任意一个波长通道而言，使得每个定向耦合单元1321输出的光信号功率均相等，确保对于每个乘法单元13，输入矢量的编码方式相同。
于本申请一实施例中，所述输出单元14包括：分别连接各所述乘法器131的上输出端口和下输出端口的第一探测器141和第二探测器142，如图3所示。其中，通过采集所述第一探测器141与第二探测器142分别输出的光电流的差值，以表征矩阵矢量与光矢量进行点积得到的结果信息。
具体来说，乘法单元13输出的光输入到输出单元14中。对于乘法单元13，其频率强度编码单元的上输出端口的光汇总输入到向上传输的波导中，下输出端口的光汇总输入到向下传输的波导中。向上传输波导的输出端的光功率为：向下传输波导输出端的光功率为：
于本申请中，向上传输波导的输出端的光信号输入到输出单元14中的第一探测器141中；向下传输波导的输出端的光信号输入到输出单元14中的第二探测器142中；第一探测器141与第二探测器142的性能参数相同，其响应度为Rd；第一探测器141产生的光电流值为第二探测器142产生的光电流值为/>二者不同的输出极性用导线相连，构成平衡探测器；从相连导线上选取一个节点引出另一导线用以采集输出净光电流，输出净光电流为第一探测器141与第二探测器142输出光电流的差值：
输出净光电流携带矩阵的一个行矢量与输入矢量进行点积得到的结果信息；对于第j个乘法器131，Rd[2αj1(δυ1j)-1]表征了权重矩阵中对应元素Wji的信息，表征了输入矢量中对应元素xi的信息；αj1(δυ1j)是频率强度编码单元上输出端口的透过率，是一个介于0到1之间的可调谐值，故[2αj1(δυ1j)-1]在理想情况下的值域为[-1,1]，从而可实现负值权重矩阵元素的编码。
于一些示例中，所述输出单元14输出的净光电流输入到相应跨阻放大器单元13(Trans-Impedance Amplifier，TIA)，其为电流/电压转换器。跨阻放大器单元13将输出单元14输出的净光电流放大并转换成模拟电压信号，其输出的电压大小为：
其中，V0为TIA无电流输入时的输出电压，ZT为TIA的跨阻增益；TIA输出的电压大小表征了乘法单元13所对应的矩阵中一行矢量[W11 W12 W13 … Wjn]与输入矢量[x1 x2 x3 …xn]T点积的计算结果。
需要说明的是，以上所陈述的工作原理分析是以其中一列乘法器131为例的，按照此工作原理，利用功率分配器132将经过输入单元12调制后的光信号按功率均等分配到n个类似乘法器131中并行处理，可实现任意n×n矩阵W与n×1矢量X的乘法运算。跨阻放大器单元13的输出电压由模数转换单元14同步采集，并将采集的数据存储到存储单元16中。
更进一步为表述本发明的优势，通过模拟在相同误差条件下，对比本发明基于频率强度调制的计算方式，和其它使用相位编码的光学计算方式的准确度。在1％的相对相位误差条件下，如图6A所示的本发明基于频率编码的计算方式误差81，相对于如图6B基于相位编码的光学计算方式误差82，小两个数量级。
本发明提供一种的基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器，利用片上频率变换和并行流计算技术可有效地增加计算的准确度和精度，数据的传输带宽，提高信息传输容量，以此使得光芯片的集成度更高，从而降低系统的延迟。该片上集成光学矩阵矢量乘法流处理器的提出，为加速线性计算提供了一种具有潜力的硬件架构
综上所述，本申请提供一种基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器，有效克服了现有技术中的缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器，其特征在于，所述处理器包括：光学计算模块、电学控制模块；
所述光学计算模块包括：
光源阵列，用于输出光信号；
输入单元，用于接收所述光信号，并动态调整光信号的频率与强度分布以及按功率对调制后的光信号进行均等分配；
乘法单元，用于接收所述输入单元输出的光信号，并结合预设的乘法矩阵进行乘法运算；
输出单元，用于输出表征矩阵矢量与光矢量进行点积得到的计算结果的电流信号；
所述电学控制模块包括：
光源驱动单元，用于驱动所述光源阵列；
调制器驱动单元，用于驱动所述输入单元与乘法单元进行调制；
所述乘法单元包括：二维阵列排布的乘法器，各所述乘法器具有双输出端口；其中，上输出端口用于将输出光耦合至向上传输的波导中；下输出端口用于将输出光耦合至向下传输的波导中；功率分配器，布设于各所述乘法器之间的通道上；所述功率分配器包括：由多个定向耦合器串联构成的定向耦合单元、及光互连波导单元；其中，所述功率分配器中不同波长通道通过所述定向耦合器分束后的传输波导若存在交叉处，则用所述光互连波导单元连接；
所述乘法器包括：多个频率振幅编码单元，各频率振幅编码单元的输入端与所述功率分配器的输出端相连；多个频率强度编码单元，其包括：正交相位调制器，用于对输入矢量加载正交频率；所述正交相位调制器包括：相移器、第一多模干涉耦合器；所述第一多模干涉耦合器为一输入两输出；非对称马赫-曾德尔调制器，用于改变上输出端口与下输出端口的功率分配；所述非对称马赫-曾德尔调制器包括：第二多模干涉耦合器；所述第二多模干涉耦合器为两输入两输出。
2.根据权利要求1所述的基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器，其特征在于，所述电学控制模块还包括：
跨阻放大器单元，用于将所述输出单元输出的电流信号转换为电压信号并进行放大；存储单元，用于存储或读取调制编码关系以及计算结果，
模数转换单元，用于将所述跨阻放大器单元输出的电信号由模拟信号转换为数字信号，并存储至存储单元；
数模转换单元，用于将所述存储单元存储的调制编码关系对应的数字信号转换为模拟信号，并传输至调制器驱动单元。
3.根据权利要求2所述的基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器，其特征在于，所述调制器驱动单元将所述数模转换单元输出的表征调制编码关系的模拟电压信号加载到所述输入单元，所述输入单元分别对输入的光信号进行调制从而改变光信号的频率强度分布。
4.根据权利要求1所述的基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器，其特征在于，所述定向耦合单元的数量与矩阵的行或列向量数量相同；各所述定向耦合单元内的定向耦合器的数量与矩阵的列或行向量数量相同。
5.根据权利要求1所述的基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器，其特征在于，所述定向耦合单元在波导耦合间距相同的情况下，令每个所述定向耦合单元采用不同的有效耦合长度，以确定每个所述定向耦合单元中所有定向耦合器的功率分束比，以使每个定向耦合单元输出的光信号功率均相等。
6.根据权利要求1所述的基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器，其特征在于，所述输出单元包括：分别连接各所述乘法器的上输出端口和下输出端口的第一探测器和第二探测器；其中，通过采集所述第一探测器与第二探测器分别输出的光电流的差值，以表征矩阵矢量与光矢量进行点积得到的结果信息。
7.根据权利要求1所述的基于频率编码的片上集成光学矩阵矢量处理器，其特征在于，所述输入单元动态调整光信号的频率与强度分布的方式为电光调制；其中，通过对电极材料施加电压以产生电场，在电极材料非线性性质的作用下使得器件材料的折射率发生变化，进而改变器件的光学性能，实现权重矩阵与输入矢量的光学频率编码。
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