CN116009812A - 一种基于马赫-曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光子信号处理技术领域，具体涉及一种基于马赫‑曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器，包括：设置的光源、带非易失性变相材料的马赫‑曾德尔干涉仪、激光探测器，所述设置的光源、带非易失性变相材料的马赫‑曾德尔干涉仪、激光探测器依次相连；本发明提出一种基于马赫‑曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器与基于电光效应或热光效应的移相器相比，具有零静态功耗的优点。
Description
技术领域
本发明属于光子信号处理技术领域，具体涉及一种基于马赫-曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器。
背景技术
近年来，人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)在大数据图像语音等模式识别、机器翻译、自动驾驶等领域取得了突破性的进展，推动人类社会进入智能时代。随着大数据时代的到来，海量数据可供神经网络进行学习，但也对电子计算机的算力和其硬件实现提出了更为严峻的挑战。随着摩尔定律趋近于极限，传统电子计算机在计算速率和功耗等方面也出现了瓶颈，因此如何提高人工智能芯片的计算速率，以及降低功耗成为了待解决的难题。在ANN中，矩阵乘法占据整个神经网络90％以上的算力，这种资源耗尽型的运算在一定程度限制了神经网络的扩展性和效率，故高带宽、低功耗、高计算速率的新型光子乘法器成为了潜在的具有前景性的解决方案。
光作为信息载体在光信号处理、光学神经网络(Optical Neural Network,ONN)中显示出巨大的潜力。光信号特有的高速率与高并行度性决定了它具有超高速率运算的潜质，可以突破传统互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺的固有限制。以马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer,MZI)网格为组件的相干集成光子神经网络(Coherent Integrated Photonic Neural Networks,CIPNN)在神经形态计算中显示出高并行性、低延迟和低功耗的巨大优势。CIPNN可以使用相干光干涉以光速直接执行计算成本高昂的矩阵乘法，其速度和功率效率超过了冯·诺依曼架构。在CIPNN中，MZI作为一个线性单元，通过控制光的相位角，对两个输入光信号进行无源线性计算，允许二维酉矩阵的任意旋转。进一步，旋转矩阵的组合左乘能够实现矩阵乘法操作。
MZI移相器是矩阵乘法器的基本单元，MZI中的两臂中含有移相器。一般的，外界可以通过控制移相器的方法来改变两臂的相位差，从而控制MZI输出端口的输出功率值。这意味着经过MZI的值发生了改变，从而可以使用MZI的移相器的变化来表征一个权重矩阵，使得输入与权重矩阵相乘，实现矩阵的乘法操作。
现有的MZI移相器大多使用热光效应和电光效应来实现相位调制，但这些移相器需要连续电压来保持其光学特性，消耗高静态功率，同时还引入热串扰以增加随机相位误差，这些缺点显著限制了CIPNN的可扩展性和能效。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于马赫-曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器，包括：设置的光源、带非易失性变相材料的马赫-曾德尔干涉仪、激光探测器；
所述带非易失性变相材料的马赫-曾德尔干涉仪，包括：第一马赫-曾德尔干涉仪、第二马赫-曾德尔干涉仪、第三马赫-曾德尔干涉仪、第四马赫-曾德尔干涉仪、第五马赫-曾德尔干涉仪、第六马赫-曾德尔干涉仪；
所述设置的光源与所述第一马赫-曾德尔干涉仪和所述第二马赫-曾德尔干涉仪输入端口连接；
所述第一马赫-曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第四马赫-曾德尔干涉仪的输入上端口和所述第三马赫-曾德尔干涉仪的输入上端口连接；
所述第二马赫-曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第三马赫-曾德尔干涉仪的输入下端口和所述第五马赫-曾德尔干涉仪的输入下端口连接；
所述第三马赫-曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第四马赫-曾德尔干涉仪的输入下端口和所述第五马赫-曾德尔干涉仪的输入上端口连接；
所述第四马赫-曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述激光探测器和所述第六马赫-曾德尔干涉仪的输入上端口连接；
所述第五马赫-曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第六马赫-曾德尔干涉仪的输入下端口和所述激光探测器连接；
所述第六马赫-曾德尔干涉仪的输出端口与所述激光探测器连接。
优选的，所述第一马赫-曾德尔干涉仪、第二马赫-曾德尔干涉仪、第三马赫-曾德尔干涉仪、第四马赫-曾德尔干涉仪、第五马赫-曾德尔干涉仪、第六马赫-曾德尔干涉仪为矩阵排列。
优选的，所述带非易失性变相材料的马赫-曾德尔干涉仪，包括：第一耦合器、第二耦合器、内部NOPS、外部NOPS；
所述第一耦合器连接所述内部NOPS，所述内部NOPS连接第二耦合器，所述第二耦合器连接外部NOPS。
进一步的，所述内部NOPS和外部NOPS上臂和下臂的Si波导上放置的都是非易失性变相材料Sb2Se3。
进一步的，所述内部NOPS和外部NOPS下臂的Si波导上放置的为完全非晶体的Sb2Se3，上臂的Si波导上放置Sb2Se3结晶面积比率定义为上结晶比率UCR，UCR等于上臂的结晶的Sb2Se3的长度与下臂等长完全非晶体的Sb2Se3长度的比值，UCR在0和1之间变化，导致相移的变化，当UCR等于1时，表示内部移相器的上臂Sb2Se3是完全结晶的状态。
进一步的，上臂的Si波导上放置Sb2Se3通过低功耗的纳秒激光器实现结晶与非结晶状态之间的切换。
本发明的有益效果：
本发明提出一种基于马赫-曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器，引入非易失性相变材料Sb2Se3，将其嵌入到MZI内部和外部的干涉臂中，利用其非易失性及非晶体和晶体之间具有高对比度的特点，将MZI的相位信息映射到Sb2Se3的上晶体比率中，用来表示酉矩阵；使用低功耗的纳秒激光器可以实现Sb2Se3在非晶态和晶态之间快速可逆地切换；考虑到Sb2Se3表现出的非易失特性，可以在没有电源的情况下保持相位信息；在这种情况下，与基于电光效应或热光效应的移相器相比，本发明中的光子矩阵乘法器具有零静态功耗的优点。
附图说明
图1为本发明的基于马赫-曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器的结构图；
图2为本发明的带非易失性变相材料的马赫-曾德尔干涉仪的结构示意图；
附图说明：1、设置的光源，2、第一马赫-曾德尔干涉仪，3、第二马赫-曾德尔干涉仪，4、第三马赫-曾德尔干涉仪，5、第四马赫-曾德尔干涉仪，6、第五马赫-曾德尔干涉仪，7、第六马赫-曾德尔干涉仪，8、激光探测器，9、第一耦合器，10、第二耦合器，11、内部NOPS，12、外部NOPS，13、内部NOPS的下臂，14、内部NOPS的上臂。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于马赫-曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器，如图1所示，包括：设置的光源、带非易失性变相材料的马赫-曾德尔干涉仪、激光探测器；
所述带非易失性变相材料的马赫-曾德尔干涉仪，包括：第一马赫-曾德尔干涉仪、第二马赫-曾德尔干涉仪、第三马赫-曾德尔干涉仪、第四马赫-曾德尔干涉仪、第五马赫-曾德尔干涉仪、第六马赫-曾德尔干涉仪；
所述设置的光源与所述第一马赫-曾德尔干涉仪和所述第二马赫-曾德尔干涉仪输入端口连接；
所述第一马赫-曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第四马赫-曾德尔干涉仪的输入上端口和所述第三马赫-曾德尔干涉仪的输入上端口连接；
所述第二马赫-曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第三马赫-曾德尔干涉仪的输入下端口和所述第五马赫-曾德尔干涉仪的输入下端口连接；
所述第三马赫-曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第四马赫-曾德尔干涉仪的输入下端口和所述第五马赫-曾德尔干涉仪的输入上端口连接；
所述第四马赫-曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述激光探测器和所述第六马赫-曾德尔干涉仪的输入上端口连接；
所述第五马赫-曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第六马赫-曾德尔干涉仪的输入下端口和所述激光探测器连接；
所述第六马赫-曾德尔干涉仪的输出端口与所述激光探测器连接。
所述第一马赫-曾德尔干涉仪、第二马赫-曾德尔干涉仪、第三马赫-曾德尔干涉仪、第四马赫-曾德尔干涉仪、第五马赫-曾德尔干涉仪、第六马赫-曾德尔干涉仪为矩阵排列。
所述带非易失性变相材料的马赫-曾德尔干涉仪，如图2所示，包括：第一耦合器、第二耦合器、内部NOPS、外部NOPS；所述第一耦合器连接所述内部NOPS，所述内部NOPS连接第二耦合器，所述第二耦合器连接外部NOPS。
所述内部NOPS和外部NOPS上臂和下臂的Si波导上放置的都是非易失性变相材料Sb2Se3。
所述内部NOPS和外部NOPS下臂的Si波导上放置的为完全非晶体的Sb2Se3，上臂的Si波导上放置Sb2Se3结晶面积比率定义为上结晶比率UCR，UCR等于上臂的结晶的Sb2Se3的长度与下臂等长完全非晶体的Sb2Se3长度的比值，UCR在0和1之间变化，导致相移的变化，当UCR等于1时，表示内部移相器的上臂Sb2Se3是完全结晶的状态。
上臂的Si波导上放置Sb2Se3通过低功耗的纳秒激光器释放的电脉冲实现结晶与非结晶状态之间的切换。
在传统的MZI结构中，将使用电光或者热光调制的移相器用非易失性相变材料Sb2Se3代替；使用非易失性相变材料Sb2Se3来代替传统移相器后，MZI的结构也发生了变化，将变化后的MZI称为带非易失性变相材料的马赫-曾德尔干涉仪Sb2Se3-MZI。
如图2所示，带非易失性变相材料的马赫-曾德尔干涉仪Sb2Se3-MZI由两个3dB耦合器和两个NOPS组成，耦合器的耦合比为50:50，耦合长度为9.8μm，耦合间距为200nm，NOPS是通过在上臂和下臂的Si波导上放置等长的Sb2Se3实现的，Sb2Se3的厚度为25nm。而完全非晶的Sb2Se3膜则放置在Sb2Se3-MZI下臂的Si波导上，Sb2Se3-MZI的内部相位角θ和外部相位角φ通过分别改变内部和外部NOPS中上臂的Sb2Se3膜的结晶面积比而改变。内部NOPS的膜长度为L0μm，外部NOPS的薄膜长度为L3μm。Sb2Se3-MZI上臂的Sb2Se3沿结晶方向结晶，而下臂上等长的Sb2Se3薄膜始终保持非晶态。
内部NOPS通过控制Sb2Se3-MZI的上臂(干涉臂)和下臂(参考臂)中的相对相位差θ来控制两个输出的分束比，而外部NOPS控制输出光场的相对相位φ。因此，通过配置不同的UCR，该结构可以用作具有任意分束比的非易失性分束器；该结构还可以通过控制θ和φ以实现SU(2)的任意旋转，这是干涉仪网格表示权重矩阵所必需的基本单元。
光子矩阵乘法器的基本单元是Sb2Se3-MZI，区别于传统移相器带来的高功耗，Sb2Se3-MZI具有静态低功耗的特点，同时Sb2Se3-MZI表示的是一个二维的酉矩阵。为了更好理解Sb2Se3-MZI中的结晶面积比与相位角之间的关系，首先设计一个不平衡的干涉仪Sb2Se3-UMZI用来表征结晶比与相位角的关系。为了更好的表征UCR和相位角之间的关系，不平衡的设计体现在MZI结构中只在内部相位角的位置使用了相变材料；因为内部相位角和外部相位角的表示方法一致，都是通过上臂的UCR来表征相位角。因此，为了更快速掌握UCR与相位角之间的关系，只需要设计一个移相器即可。
内部干涉臂上下都嵌入等长的非易失性相变材料Sb2Se3，然而，上臂的Sb2Se3有两种状态，晶态和非晶态，下臂上的Sb2Se3只有一种状态为非晶态。为了更好的观察UCR和相位角之间的关系，不平衡的Sb2Se3-MZI结构只有一个输入端口有光输入，在两个输出光进行激光探测。结构的上臂和下臂之间的长度差为长度ΔL＝20μm。下臂和上臂上的Sb2Se3膜的相等长度为L4＝50μm。光学相移Δφ随UCRL4而变化，并且Δφ导致Sb2Se3-UMZI干涉峰的漂移；Δφ可通过下面的公式计算：
其中，Δλ为波长间隔，即相邻透射峰的距离，FSR是相邻传输谱的光频率间隔，即自由光谱范围(Free Spectral Range,FSR)；干涉峰值的FSR取决干涉仪上下两臂的光程差ΔL，FSR随着ΔL的变化而变化。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种基于马赫-曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器，其特征在于，包括：设置的光源、带非易失性变相材料的马赫-曾德尔干涉仪、激光探测器；
所述带非易失性变相材料的马赫-曾德尔干涉仪，包括：第一马赫-曾德尔干涉仪、第二马赫-曾德尔干涉仪、第三马赫-曾德尔干涉仪、第四马赫-曾德尔干涉仪、第五马赫-曾德尔干涉仪、第六马赫-曾德尔干涉仪；
所述设置的光源与所述第一马赫-曾德尔干涉仪和所述第二马赫-曾德尔干涉仪输入端口连接；
所述第一马赫-曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第四马赫-曾德尔干涉仪的输入上端口和所述第三马赫-曾德尔干涉仪的输入上端口连接；
所述第二马赫-曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第三马赫-曾德尔干涉仪的输入下端口和所述第五马赫-曾德尔干涉仪的输入下端口连接；
所述第三马赫-曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第四马赫-曾德尔干涉仪的输入下端口和所述第五马赫-曾德尔干涉仪的输入上端口连接；
所述第四马赫-曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述激光探测器和所述第六马赫-曾德尔干涉仪的输入上端口连接；
所述第五马赫-曾德尔干涉仪的上下两个输出端口分别与所述第六马赫-曾德尔干涉仪的输入下端口和所述激光探测器连接；
所述第六马赫-曾德尔干涉仪的输出端口与所述激光探测器连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于马赫-曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器，其特征在于，所述第一马赫-曾德尔干涉仪、第二马赫-曾德尔干涉仪、第三马赫-曾德尔干涉仪、第四马赫-曾德尔干涉仪、第五马赫-曾德尔干涉仪、第六马赫-曾德尔干涉仪为矩阵排列。
3.根据权利要求1所述的一种基于马赫-曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器，其特征在于，所述带非易失性变相材料的马赫-曾德尔干涉仪，包括：第一耦合器、第二耦合器、内部NOPS、外部NOPS；
所述第一耦合器连接所述内部NOPS，所述内部NOPS连接第二耦合器，所述第二耦合器连接外部NOPS。
4.根据权利要求3所述的一种基于马赫-曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器，其特征在于，所述内部NOPS和外部NOPS上臂和下臂的Si波导上放置的都是非易失性变相材料Sb2Se3。
5.根据权利要求4所述的一种基于马赫-曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器，其特征在于，所述内部NOPS和外部NOPS下臂的Si波导上放置的为完全非晶体的Sb2Se3，上臂的Si波导上放置Sb2Se3结晶面积比率定义为上结晶比率UCR，UCR等于上臂的结晶的Sb2Se3的长度与下臂等长完全非晶体的Sb2Se3长度的比值，UCR在0和1之间变化，导致相移的变化，当UCR等于1时，表示内部移相器的上臂Sb2Se3是完全结晶的状态。
6.根据权利要求5所述的一种基于马赫-曾德尔干涉仪和非易失性相变材料的光子矩阵乘法器，其特征在于，上臂的Si波导上放置Sb2Se3通过低功耗的纳秒激光器实现结晶与非结晶状态之间的切换。
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