DE112018000641B4 - Wellenleiterarchitektur für eine photonische neuronale komponente mit optischen multiplexsignalen auf zwischenknoten-wellenleitern - Google Patents

Wellenleiterarchitektur für eine photonische neuronale komponente mit optischen multiplexsignalen auf zwischenknoten-wellenleitern Download PDF

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Abstract

Photonische neuronale Komponente, die aufweist:eine Mehrzahl von optischen Sendern;eine Mehrzahl von optischen Empfängern;eine Mehrzahl von auf einer Platine ausgebildeten Zwischenknoten-Wellenleitern;eine Mehrzahl von auf der Platine ausgebildeten Multiplexern, wobei jeder Multiplexer dazu gestaltet ist, ein optisches Eingangssignal auf einen Zwischenknoten-Wellenleiter der Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern zu multiplexen;eine Mehrzahl von Sendewellenleitern, die so auf der Platine ausgebildet ist, dass zumindest ein Sendewellenleiter zumindest einen Zwischenknoten-Wellenleiter überkreuzt, wobei ein Kern eines überkreuzenden Wellenleiters durch einen Kern oder einen Mantel eines weiteren überkreuzenden Wellenleiters verläuft, wobei jeder Sendewellenleiter mit einem optischen Sender der Mehrzahl von optischen Sendern optisch verbunden ist und dazu gestaltet ist, ein von dem optischen Sender emittiertes optisches Signal zu empfangen und das optische Signal über einen Multiplexer der Mehrzahl von Multiplexern an einen Zwischenknoten-Wellenleiter der Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern zu senden;eine Mehrzahl von auf der Platine ausgebildeten Spiegeln, wobei jeder Spiegel dazu gestaltet ist, das optische Signal, das sich auf dem Zwischenknoten-Wellenleiter der Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern ausbreitet, teilweise zu reflektieren, um ein reflektiertes optisches Signal zu erzeugen;eine Mehrzahl von Empfangswellenleitern, die so auf der Platine ausgebildet ist, dass zumindest ein Empfangswellenleiter den zumindest einen Zwischenknoten-Wellenleiter überkreuzt, wobei ein Kern eines überkreuzenden Wellenleiters durch einen Kern oder einen Mantel eines weiteren überkreuzenden Wellenleiters verläuft, wobei jeder Empfangswellenleiter mit einem optischen Empfänger der Mehrzahl von optischen Empfängern optisch verbunden ist und dazu gestaltet ist, das durch einen Spiegel der Mehrzahl von Spiegeln erzeugte, reflektierte optische Signal zu empfangen und das reflektierte optische Signal an den optischen Empfänger zu senden; undeine Mehrzahl von auf der Platine ausgebildeten Filtern, wobei jedes Filter dazu gestaltet ist, eine Gewichtung auf das durch den Spiegel der Mehrzahl von Spiegeln erzeugte, reflektierte optische Signal anzuwenden, bevor das reflektierte optische Signal durch den zumindest einen Empfangswellenleiter, der das reflektierte optische Signal empfängt, an den optischen Empfänger gesendet wird.

Description

  • HINTERGRUND
  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Wellenleiterarchitektur für eine photonische neuronale Komponente und im Besonderen auf eine Wellenleiterarchitektur für eine photonische neuronale Komponente eines neuronalen Netzes.
  • Verwandte Technik
  • Nichtherkömmliche neuromorphe Datenverarbeitungsarchitekturen wie zum Beispiel neuronale Netze und Reservoir-Computing waren im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit vielversprechend, herkömmliche elektronische Ansätze zum Verbinden von Neuronen untereinander sind jedoch an Grenzen gestoßen. Beispielsweise arbeitet das System TrueNorth von IBM aufgrund der Notwendigkeit eines Zeitmultiplexbetriebs mit einer Verarbeitungsgeschwindigkeit im kHz-Bereich. In letzter Zeit haben erregbare optoelektronische Einheiten als Möglichkeit, diese Geschwindigkeitsbeschränkung unter Umständen aufzuheben, Aufmerksamkeit erregt. (Siehe zum Beispiel A.N., Tait et al., „Broadcast and Weight: An Integrated Network For Scalable Photonic Spike Processing“, J. Light. Tech. 32, 3427, 2014, M.A. Nahmias et al., „An integrated analog O/E/O link for multi-channel laser neurons“, Appl. Phys. Lett. 108, 151106 (2016) und K. Vandoorne et al., „Experimental demonstration of reservoir computing on a silicon photonics chip“, Nature Communication 5, 3541, 2014). Solche Versuche wurden jedoch durch einen sehr hohen Stromverbrauch und optischen Verlust begrenzt. Unterdessen ist in jüngster Zeit die Fertigung von Wellenleiter-Kreuzungsstrukturen mit sehr geringem Verlust möglich geworden. (Siehe zum Beispiel N. Bamiedakis et al., „Low Loss and Low Crosstalk Multimode Polymer Waveguide Crossings for High-Speed Optical Interconnects“, 2007 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), CMG1).
  • In diesem Zusammenhang gibt es einige technisch angrenzende Dokumente: In dem Dokument von LE BEUX, S. [et al.]: Optical ring network-on-chip (ORNoC): architecture and design methodology. In: 2011 Design, Automation & Test in Europe. IEEE, 2011, ISSN 1558-1101wird eine ringförmiges, unidirektionales optisches Network-on-Chip beschrieben, welches WDM und Add/Drop-Multiplexer verwendet. Dabei werden Mikroresonatoren zum Ein- und Auskoppeln verwendet. Darüber hinaus sind aus dem Dokument US 2005 / 0 213 873 A1 sich überkreuzende Wellenleiter in einer integrierten photonischen Schaltung bekannt, um eine 90°-Umlenkung von optischen Signalen zu erreichen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine photonische neuronale Komponente bereitgestellt, die in der Lage ist, die obigen, mit der verwandten Technik einhergehenden Nachteile zu überwinden. Die photonische neuronale Komponente beinhaltet bzw. weist auf eine Mehrzahl von optischen Sendern, eine Mehrzahl von optischen Empfängern, eine Mehrzahl von auf einer Platine ausgebildeten Zwischenknoten-Wellenleitern, eine Mehrzahl von auf der Platine ausgebildeten Multiplexern, wobei jeder Multiplexer dazu ausgebildet ist, ein optisches Eingangssignal auf einen Zwischenknoten-Wellenleiter der Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern zu multiplexen, eine Mehrzahl von Sendewellenleitern, die so auf der Platine ausgebildet ist, dass zumindest einer der Sendewellenleiter zumindest einen der Zwischenknoten-Wellenleiter überkreuzt, wobei ein Kern eines der überkreuzenden Wellenleiter durch einen Kern oder einen Mantel des anderen verläuft, wobei jeder Sendewellenleiter mit einem optischen Sender der Mehrzahl von optischen Sendern optisch verbunden ist und dazu gestaltet ist, ein von dem optischen Sender emittiertes optisches Signal zu empfangen und das empfangene optische Signal über einen Multiplexer der Mehrzahl von Multiplexern an einen Zwischenknoten-Wellenleiter der Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern zu senden, eine Mehrzahl von auf der Platine ausgebildeten Spiegeln, wobei jeder Spiegel dazu bestimmt ist, ein optisches Signal, das sich auf einem Zwischenknoten-Wellenleiter der Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern ausbreitet, teilweise zu reflektieren, um ein reflektiertes optisches Signal bereitzustellen, eine Mehrzahl von Empfangswellenleitern, die so auf der Platine ausgebildet ist, dass zumindest einer der Empfangswellenleiter zumindest einen der Zwischenknoten-Wellenleiter überkreuzt, wobei ein Kern eines der überkreuzenden Wellenleiter durch einen Kern oder einen Mantel des anderen verläuft, wobei jeder Empfangswellenleiter mit einem optischen Empfänger der Mehrzahl von optischen Empfängern optisch verbunden ist und dazu gestaltet ist, ein durch einen Spiegel der Mehrzahl von Spiegeln erzeugtes, reflektiertes optisches Signal zu empfangen und das reflektierte optische Signal an den optischen Empfänger zu senden, und eine Mehrzahl von auf der Platine ausgebildeten Filtern, wobei jedes Filter dazu gestaltet ist, eine Gewichtung auf ein durch einen Spiegel der Mehrzahl von Spiegeln erzeugtes, reflektiertes optisches Signal anzuwenden, bevor das reflektierte optische Signal durch den Empfangswellenleiter, der das reflektierte optische Signal empfängt, an einen optischen Empfänger gesendet wird. Die photonische neuronale Komponente kann Gestaltungsfreiheit unterstützen und gleichzeitig die Geschwindigkeitsbeschränkung des herkömmlichen elektronischen Ansatzes aufheben.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Mehrzahl von optischen Sendern einen ersten optischen Sender, der ein optisches Signal mit einer ersten Wellenlänge emittiert, und einen zweiten optischen Sender beinhalten, der ein optisches Signal mit einer zweiten Wellenlänge emittiert, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet, und die Zwischenknoten-Wellenleiter können einen Zwischenknoten-Wellenleiter beinhalten, der das optische Signal mit der ersten Wellenlänge und das optische Signal mit der zweiten Wellenlänge ausbreitet. Die Mehrzahl von Spiegeln kann einen Spiegel beinhalten, dessen Reflexionskoeffizient von der Wellenlänge abhängt. Die Mehrzahl von Filtern kann ein Spektralfilter beinhalten, dessen angewendete Gewichtung von der Wellenlänge abhängt. Eine photonische neuronale Komponente mit diesen Merkmalen kann ein Wellenlängen-Multiplexverfahren (wavelength division multiplexing, WDM) für optische Signale auf den Zwischenknoten-Wellenleitern unterstützen, wodurch die Anzahl von benötigten Zwischenknoten-Wellenleitern verringert wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Mehrzahl von Multiplexern einen Multiplexer mit einem Eintrittsspiegel und einer y-förmigen Wellenleiterstruktur, die durch einen ersten Eintrittszweig und einen Austrittszweig mit dem Zwischenknoten-Wellenleiter verbunden ist, auf den der Multiplexer sein Eingangssignal multiplext, wobei der Eintrittsspiegel dazu gestaltet ist, als Eingangssignal ein optisches Signal zu empfangen, das durch einen Sendewellenleiter der Mehrzahl von Wellenleitern gesendet wird, und das Eingangssignal zu reflektieren, um ein reflektiertes optisches Signal zu erzeugen, das in einen zweiten Eintrittszweig der y-förmigen Wellenleiterstruktur eintritt und sich mit einem optischen Signal verbindet, das sich auf dem Zwischenknoten-Wellenleiter ausbreitet, wo der zweite Eintrittszweig auf den ersten Eintrittszweig der y-förmigen Wellenleiterstruktur trifft. Die photonische neuronale Komponente kann ein Multiplexen von optischen Signalen auf den Zwischenknoten-Wellenleitern unterstützen, wodurch die Anzahl von benötigten Zwischenknoten-Wellenleitern verringert wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Mehrzahl von Filtern ein auswechselbares Filter, das auswechselbar ist, um die angewendete Gewichtung zu ändern. Die photonische neuronale Komponente kann ein Abstimmen eines neuronalen Netzes unterstützen, das die photonische neuronale Komponente aufweist.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Mehrzahl von Filtern ein variables Filter, dessen Transparenz variierbar ist, um die angewendete Gewichtung zu ändern. Die photonische neuronale Komponente kann ein Abstimmen eines neuronalen Netzes unterstützen, das die photonische neuronale Komponente aufweist.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet die photonische neuronale Komponente des Weiteren eine Mehrzahl von auf der Platine montierten Halbleiter-Chips, wobei jeder der Halbleiter-Chips zumindest einen der optischen Sender oder zumindest einen der optischen Empfänger beinhaltet. Die photonische neuronale Komponente kann des Weiteren Gestaltungsfreiheit unterstützen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Mehrzahl von Halbleiter-Chips optische Sender-Chips und optische Empfänger-Chips, wobei jeder der optischen Sender-Chips einen oder mehrere der optischen Sender beinhaltet und jeder der optischen Empfänger-Chips einen oder mehrere der optischen Empfänger beinhaltet, und die optischen Sender-Chips beinhalten einen ersten optischen Sender-Chip, dessen einer oder mehrere optische(r) Sender optische Signale mit einer ersten Wellenlänge emittiert/emittieren, und einen zweiten optischen Sender-Chip, dessen einer oder mehrere optische(r) Sender optische Signale mit einer zweiten Wellenlänge emittiert/emittieren, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet. Jeder der optischen Sender-Chips beinhaltet dieselbe Anzahl von optischen Sendern, jeder der optischen Empfänger-Chips beinhaltet dieselbe Anzahl von optischen Empfängern, die Anzahl von in jedem der optischen Sender-Chips beinhalteten optischen Sendern kann mit der Anzahl von in jedem der optischen Empfänger-Chips beinhalteten optischen Empfängern übereinstimmen, und die Anzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern, die über die Sendewellenleiter mit jedem der optischen Sender-Chips verbunden sind, kann mit der Anzahl von in jedem der optischen Sender-Chips beinhalteten optischen Sendern und der Anzahl von in jedem der optischen Empfänger-Chips beinhalteten optischen Empfängern übereinstimmen. Die photonische neuronale Komponente kann Gestaltungsfreiheit und ein Multiplexen von optischen Signalen auf den Zwischenknoten-Wellenleitern unterstützen, wodurch die Anzahl der benötigten optischen Zwischenknoten-Wellenleitern verringert wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann jeder der Halbleiter-Chips so angeordnet sein, dass der zumindest eine in dem Chip enthaltene optische Sender oder der zumindest eine in dem Chip enthaltene optische Empfänger der Platine zugewandt ist, die Sendewellenleiter können über Eintrittsspiegel, die so angeordnet sind, dass sie Licht aus einer Richtung senkrecht zu der Platine in eine Richtung parallel zu der Platine umlenken, mit den optischen Sendern verbunden sein, und die Empfangswellenleiter können über Austrittsspiegel, die so angeordnet sind, dass sie Licht aus einer Richtung parallel zu der Platine in eine Richtung senkrecht zu der Platine umlenken, mit den optischen Empfängern verbunden sein. Die photonische neuronale Komponente kann des Weiteren Gestaltungsfreiheit durch Unterstützen der Verwendung von auf der Platine ausgebildeten Wellenleitern unterstützen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet die photonische neuronale Komponente des Weiteren eine Mehrzahl von Signalleitungen innerhalb eines Knotens, wobei jede Signalleitung innerhalb eines Knotens mit einem optischen Empfänger der Mehrzahl von optischen Empfängern und einem optischen Sender der Mehrzahl von optischen Sendern verbunden ist und dazu gestaltet ist, ein elektrisches Signal zu empfangen, das eine Leistung eines durch den optischen Empfänger empfangenen optischen Signals darstellt, und das elektrische Signal an den optischen Sender zu senden, wodurch der optische Empfänger und der optische Sender so verbunden werden, dass ein Eingang und ein Ausgang eines Neurons ausgebildet werden. Für jeden der über eine Signalleitung innerhalb eines Knotens mit einem optischen Sender verbundenen optischen Empfänger beinhaltet die Mehrzahl von Spiegeln einen Spiegel, dessen reflektiertes optisches Signal an den optischen Empfänger gesendet wird und dessen Reflexionskoeffizient bei einer Wellenlänge des durch den optischen Sender emittierten optischen Signals im Wesentlichen null ist. Die photonische neuronale Komponente kann eine Funktionalität der photonischen neuronalen Komponente als neuronales Netz oder als einen Teil davon unterstützen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Zwischenknoten-Wellenleiter, die Sendewellenleiter und die Empfangswellenleiter aus einem Polymer in einer einzelnen Schicht der Platine hergestellt sein. Die photonische neuronale Komponente kann Gestaltungsfreiheit unterstützen und gleichzeitig einen optischen Verlust verringern.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Mehrzahl von optischen Sendern in differentielle Paare unterteilt, bei denen einer der optischen Sender eines differentiellen Paares ein variables optisches Signal emittiert, wohingegen der andere der optischen Sender des differentiellen Paares ein optisches Referenzsignal emittiert. Die photonische neuronale Komponente kann des Weiteren eine Mehrzahl von auf der Platine montierten Halbleiter-Chips beinhalten, wobei jeder der Halbleiter-Chips eines oder mehrere der differentiellen Paare beinhaltet. Jeder der Halbleiter-Chips kann zwei oder mehr der differentiellen Paare beinhalten. Die photonische neuronale Komponente kann eine Funktionalität der photonischen neuronalen Komponente als neuronales Netz oder als einen Teil davon unterstützen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern einen ersten Ring, in dem zwei oder mehr der Zwischenknoten-Wellenleiter als konzentrische Schleifen angeordnet sind, die Mehrzahl von optischen Sendern kann eine erste innere optische Sendergruppe beinhalten, bei der zwei oder mehr der optischen Sender innerhalb des ersten Rings angeordnet sind, und die Mehrzahl von optischen Empfängern kann eine erste innere optische Empfängergruppe beinhalten, bei der zwei oder mehr der optischen Empfänger innerhalb des ersten Rings angeordnet sind. Die photonische neuronale Komponente kann eine Eingangs-/Ausgangs-Funktionalität und eine Erweiterbarkeit der photonischen neuronalen Komponente als neuronales Netz oder als einen Teil davon unterstützen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Mehrzahl von Spiegeln eine erste Spiegelgruppe, wobei jeder Spiegel der ersten Spiegelgruppe dazu bestimmt ist, ein optisches Signal, das sich auf einem Zwischenknoten-Wellenleiter des ersten Rings ausbreitet, teilweise zu reflektieren, um ein reflektiertes optisches Signal bereitzustellen, und die photonische neuronale Komponente kann des Weiteren eine Mehrzahl von ersten Ausgangswellenleitern beinhalten, die so auf der Platine ausgebildet ist, dass zumindest einer der ersten Ausgangswellenleiter zumindest einen der Zwischenknoten-Wellenleiter des ersten Rings überkreuzt, wobei ein Kern eines der überkreuzenden Wellenleiter durch einen Kern oder einen Mantel des anderen verläuft, wobei jeder erste Ausgangswellenleiter nach außerhalb des ersten Rings verbunden ist und dazu gestaltet ist, ein durch einen Spiegel der ersten Spiegelgruppe erzeugtes, reflektiertes optisches Signal zu empfangen und das reflektierte optische Signal aus dem ersten Ring nach außen zu senden. Die photonische neuronale Komponente kann des Weiteren ein auf der Platine ausgebildetes erstes Ausgangsfilter beinhalten, wobei das erste Ausgangsfilter dazu gestaltet ist, eine Gewichtung auf ein durch einen Spiegel der Mehrzahl von Spiegeln erzeugtes, reflektiertes optisches Signal anzuwenden, bevor das reflektierte optische Signal durch den ersten Ausgangswellenleiter, der das reflektierte optische Signal empfängt, aus dem ersten Ring nach außen gesendet wird. Die Mehrzahl von optischen Empfängern kann eine erste äußere optische Empfängergruppe beinhalten, bei der zwei oder mehr der optischen Empfänger außerhalb des ersten Rings angeordnet sind, wobei jeder der optischen Empfänger der ersten äußeren optischen Empfängergruppe mit einem ersten Ausgangswellenleiter der Mehrzahl von ersten Ausgangswellenleitern verbunden ist und dazu gestaltet ist, das durch den ersten Ausgangswellenleiter gesendete, reflektierte optische Signal zu empfangen. Die Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern kann einen zweiten Ring beinhalten, in dem zwei oder mehr der Zwischenknoten-Wellenleiter als konzentrische Schleifen angeordnet sind, die Mehrzahl von optischen Sendern kann eine zweite innere optische Sendergruppe, bei der zwei oder mehr der optischen Sender innerhalb des zweiten Rings angeordnet sind, und eine zweite äußere optische Sendergruppe beinhalten, bei der zwei oder mehr der optischen Sender außerhalb des zweiten Rings angeordnet sind, die Mehrzahl von optischen Empfängern kann eine zweite optische Empfängergruppe beinhalten, bei der zwei oder mehr der optischen Empfänger innerhalb des zweiten Rings angeordnet sind, die Mehrzahl von Multiplexern kann eine zweite Multiplexer-Gruppe beinhalten, wobei jeder Multiplexer der zweiten Multiplexer-Gruppe dazu gestaltet ist, ein optisches Eingangssignal auf einen Zwischenknoten-Wellenleiter des zweiten Rings zu multiplexen, die photonische neuronale Komponente kann des Weiteren eine Mehrzahl von zweiten Eingangswellenleitern beinhalten, die so auf der Platine ausgebildet ist, dass zumindest einer der zweiten Eingangswellenleiter zumindest einen der Zwischenknoten-Wellenleiter des zweiten Rings überkreuzt, wobei ein Kern eines der überkreuzenden Wellenleiter durch einen Kern oder einen Mantel des anderen verläuft, wobei jeder zweite Eingangswellenleiter mit einem optischen Sender der zweiten äußeren optischen Sendergruppe optisch verbunden ist und dazu gestaltet ist, ein von dem optischen Sender emittiertes optisches Signal zu empfangen und das empfangene optische Signal über einen Multiplexer der zweiten Multiplexer-Gruppe an einen Zwischenknoten-Wellenleiter des zweiten Rings zu senden, und die Mehrzahl von Signalleitungen innerhalb eines Knotens kann eine Mehrzahl von Zwischenring-Signalleitungen innerhalb eines Knotens beinhalten, wobei jede Zwischenring-Signalleitung innerhalb eines Knotens mit einem optischen Empfänger der ersten äußeren optischen Empfängergruppe und einem optischen Sender der zweiten äußeren optischen Sendergruppe verbunden ist und dazu gestaltet ist, ein elektrisches Signal zu empfangen, das eine Leistung eines durch den optischen Empfänger empfangenen optischen Signals darstellt, und das elektrische Signal an den optischen Sender zu senden, wodurch der optische Empfänger und der optische Sender so verbunden werden, dass ein Eingang und ein Ausgang eines Neurons ausgebildet werden. Die photonische neuronale Komponente kann eine Eingangs-/Ausgangs-Funktionalität und eine Erweiterbarkeit der photonischen neuronalen Komponente als neuronales Netz oder als einen Teil davon unterstützen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Mehrzahl von Multiplexern eine erste Multiplexer-Gruppe, wobei jeder Multiplexer der ersten Multiplexer-Gruppe dazu gestaltet ist, ein optisches Eingangssignal auf einen Zwischenknoten-Wellenleiter des ersten Rings zu multiplexen, und die photonische neuronale Komponente beinhaltet des Weiteren eine Mehrzahl von ersten Eingangswellenleitern, die so auf der Platine ausgebildet ist, dass zumindest einer der ersten Eingangswellenleiter zumindest einen der Zwischenknoten-Wellenleiter des ersten Rings überkreuzt, wobei ein Kern eines der überkreuzenden Wellenleiter durch einen Kern oder einen Mantel des anderen verläuft, wobei jeder erste Eingangswellenleiter nach außerhalb des ersten Rings verbunden ist und dazu gestaltet ist, ein optisches Signal von außerhalb des ersten Rings zu empfangen und das empfangene optische Signal über einen Multiplexer der ersten Multiplexer-Gruppe an einen Zwischenknoten-Wellenleiter des ersten Rings zu senden. Die Mehrzahl von optischen Sendern kann eine erste äußere optische Sendergruppe beinhalten, bei der zwei oder mehr der optischen Sender außerhalb des ersten Rings angeordnet sind, wobei jeder der ersten optischen Sender der ersten äußeren optischen Sendergruppe mit einem ersten Eingangswellenleiter der Mehrzahl von ersten Eingangswellenleitern optisch verbunden ist und dazu gestaltet ist, ein durch den ersten Eingangswellenleiter zu sendendes optisches Signal zu emittieren. Die Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern kann einen zweiten Ring beinhalten, in dem zwei oder mehr der Zwischenknoten-Wellenleiter als konzentrische Schleifen angeordnet sind, die Mehrzahl von optischen Sendern kann eine zweite innere optische Sendergruppe beinhalten, bei der zwei oder mehr der optischen Sender innerhalb des zweiten Rings angeordnet sind, die Mehrzahl von optischen Empfängern kann eine zweite optische Empfängergruppe, bei der zwei oder mehr der optischen Empfänger innerhalb des zweiten Rings angeordnet sind, und eine zweite äußere optische Empfängergruppe beinhalten, bei der zwei oder mehr der optischen Empfänger außerhalb des zweiten Rings angeordnet sind, die Mehrzahl von Spiegeln kann eine zweite Spiegelgruppe beinhalten, wobei jeder Spiegel der zweiten Spiegelgruppe dazu gestaltet ist, ein sich auf einem Zwischenknoten-Wellenleiter des zweiten Rings ausbreitendes optisches Signal teilweise zu reflektieren, um ein reflektiertes optisches Signal bereitzustellen, die photonische neuronale Komponente kann des Weiteren eine Mehrzahl von zweiten Ausgangswellenleitern beinhalten, die so auf der Platine ausgebildet ist, dass zumindest einer der zweiten Ausgangswellenleiter zumindest einen der Zwischenknoten-Wellenleiter des zweiten Rings überkreuzt, wobei ein Kern eines der überkreuzenden Wellenleiter durch einen Kern oder einen Mantel des anderen verläuft, wobei jeder zweite Ausgangswellenleiter mit einem optischen Empfänger der zweiten äußeren optischen Empfängergruppe optisch verbunden ist und dazu gestaltet ist, ein durch einen Spiegel der zweiten Spiegelgruppe erzeugtes, reflektiertes optisches Signal zu empfangen und das reflektierte optische Signal an den optischen Empfänger zu senden, und die Mehrzahl von Signalleitungen innerhalb eines Knotens kann eine Mehrzahl von Zwischenring-Signalleitungen innerhalb eines Knotens beinhalten, wobei jede Zwischenring-Signalleitung innerhalb eines Knotens mit einem optischen Sender der ersten äußeren optischen Empfängergruppe und einem optischen Empfänger der zweiten äußeren optischen Empfängergruppe verbunden ist und dazu gestaltet ist, ein elektrisches Signal zu empfangen, das eine Leistung eines durch den optischen Empfänger empfangenen optischen Signals darstellt, und das elektrische Signal an den optischen Sender zu senden, wodurch der optische Empfänger und der optische Sender so verbunden werden, dass ein Eingang und ein Ausgang eines Neurons ausgebildet werden. Die photonische neuronale Komponente kann eine Eingangs-/Ausgangs-Funktionalität und eine Erweiterbarkeit der photonischen neuronalen Komponente als neuronales Netz oder als einen Teil davon unterstützen.
  • Der Abschnitt der Kurzdarstellung beschreibt nicht zwingend sämtliche Merkmale der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Bei der vorliegenden Erfindung kann es sich auch um eine Kombination oder eine Teilkombination der oben beschriebenen Merkmale handeln, die eine Kombination von Merkmalen von zwei oder mehr der oben beschriebenen Aspekte beinhaltet. Die obigen und sonstige Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser ersichtlich.
  • Figurenliste
    • 1 stellt ein beispielhaftes Schaubild einer Wellenleiterarchitektur für eine photonische neuronale Komponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
    • 2 stellt ein beispielhaftes Schaubild eines Bereichs der in 1 dargestellten Wellenleiterarchitektur dar.
    • 3 stellt ein beispielhaftes Schaubild der in 1 dargestellten Wellenleiterarchitektur einschließlich Reflexionskoeffizienten von Spiegeln dar;
    • 4 stellt ein beispielhaftes Schaubild des Bereichs der in 2 dargestellten Wellenleiterarchitektur einschließlich willkürlichen Gewichtungen eines Filters dar;
    • 5 stellt eine beispielhafte schematische Seitenansicht eines Abschnitts einer Platine dar, auf der ein Sender-Chip und ein Sendewellenleiter ausgebildet sind;
    • 6 stellt eine beispielhafte schematische Seitenansicht eines Abschnitts einer Platine dar, auf der ein Empfänger-Chip und ein Empfangswellenleiter ausgebildet sind;
    • 7 stellt ein beispielhaftes Schaubild einer Wellenleiterarchitektur für eine photonische neuronale Komponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar; und
    • 8 stellt ein beispielhaftes Schaubild einer Wellenleiterarchitektur für eine photonische neuronale Komponente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Ausführungsformen sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Erfindung beschränken, der durch die Ansprüche definiert wird. Die Kombinationen von Merkmalen, die in den Ausführungsformen beschrieben werden, sind für die Erfindung nicht zwingend wesentlich.
  • 1 stellt ein beispielhaftes Schaubild einer Wellenleiterarchitektur für eine photonische neuronale Komponente 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. Mithilfe der in 1 dargestellten Wellenleiterarchitektur kann eine photonische neuronale Komponente 100 Photonic-Spike-Computing durch optische Signalübertragung mit geringem Verlust über Wellenleiter unterstützen, die so ausgebildet sind, dass sie einander auf einer Platine, z.B. einer gedruckten Leiterplatte, überkreuzen. Die offenbarte Wellenleiterarchitektur kann daher Gestaltungsfreiheit (z.B. Layout, Materialien usw.) ermöglichen und gleichzeitig die Geschwindigkeitsbeschränkung des herkömmlichen elektronischen Ansatzes aufheben. Die photonische neuronale Komponente 100 beinhaltet eine Mehrzahl von optischen Sender-Chips 110A bis 110D, eine Mehrzahl von optischen Empfänger-Chips 120A bis 120D, eine Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern 130-1 bis 130-4, eine Mehrzahl von Multiplexern 140A bis 140D, eine Mehrzahl von Sendewellenleitern 150A-1 bis 150D-4, eine Mehrzahl von Spiegeln 160A bis 160D, eine Mehrzahl von Empfangswellenleitern 170A-1 bis 170D-4, eine Mehrzahl von Filtern 180A bis 180D und eine Mehrzahl von Signalleitungen 190A-1 bis 190D-4 innerhalb eines Knotens. Aufgrund des begrenzten Platzes werden von der Mehrzahl von Sendewellenleitern 150A-1 bis 150D-4 nur die Sendewellenleiter 150C-1 bis 150C-4 in 1 mit Bezugszeichen versehen. In ähnlicher Weise werden von der Mehrzahl von Empfangswellenleitern 170A-1 bis 170D-4 nur die Empfangswellenleiter 170C-1 bis 170C-4 in 1 mit Bezugszeichen versehen und werden von der Mehrzahl von Signalleitungen 190A-1 bis 190D-4 innerhalb eines Knotens nur die Signalleitungen 190A-1 bis 190A-4 innerhalb eines Knotens in 1 mit Bezugszeichen versehen. Dennoch kann auf die weggelassenen Bezugszeichen der in 1 dargestellten Sendewellenleiter, Empfangswellenleiter und Signalleitungen innerhalb eines Knotens in dieser Offenbarung Bezug genommen werden, wobei es sich versteht, dass sich die Buchstabensuffixe A bis D auf die entsprechenden optischen Sender-Chips 110A bis 110D und optischen Empfänger-Chips 120A bis 120D beziehen, und es sich versteht, dass sich die Zahlensuffixe -1 bis -4 auf die entsprechenden Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 beziehen.
  • Der optische Sender-Chip 110A beinhaltet eine Mehrzahl von optischen Sendern 110A-1 bis 110A-4. In ähnlicher Weise beinhalten die optischen Sender-Chips 110B, 110C und 110D eine Mehrzahl von optischen Sendern 110B-1 bis 110B-4, 110C-1 bis 110C-4 bzw. 110D-1 bis 110D-4, zur einfacheren Veranschaulichung werden jedoch nur die optischen Sender 110A-1 bis 110A-4 dargestellt. Bei jedem der optischen Sender 110A-1 bis 110D-4 kann es sich zum Beispiel um einen oberflächenemittierenden Dioden-Laser (vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL) handeln, sodass jeder der optischen Sender-Chips 110A bis 110D ein VCSEL-Array beinhalten kann, das VCSELs als optische Sender darin beinhaltet. Die optischen Signale, die durch die Mehrzahl von optischen Sendern in einem der optischen Sender-Chips 110A bis 110D emittiert werden, können mit anderen Wellenlängen emittiert werden als die optischen Signale, die durch die Mehrzahl von optischen Sendern in einem weiteren der optischen Sender-Chips 110A bis 110D emittiert werden. Auf diese Weise kann die Mehrzahl von optischen Sendern 110A-1 bis 110D-4 einen ersten optischen Sender 110A-1, der ein optisches Signal mit einer ersten Wellenlänge emittiert, und einen zweiten optischen Sender 110B-1 beinhalten, der ein optisches Signal mit einer zweiten Wellenlänge emittiert, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet. Bei den optischen Sender-Chips 110A bis 110D kann es sich um Halbleiter-Chips handeln, die auf einer Platine, z.B. einer gedruckten Leiterplatte, montiert sind. Auf diese Weise kann eine Mehrzahl von auf einer Platine montierten Halbleiter-Chips optische Sender-Chips (z.B. die optischen Sender-Chips 110A und 110B) beinhalten, wobei jeder der optischen Sender-Chips einen oder mehrere optische Sender (z.B. den optischen Sender 110A-1 des optischen Sender-Chips 110A, den optischen Sender 11 0B-1 des optischen Sender-Chips 11 OB) beinhaltet, und die optischen Sender-Chips können einen ersten optischen Sender-Chip (z.B. den optischen Sender-Chip 110A), dessen einer oder mehrere optische(r) Sender optische Signale mit einer ersten Wellenlänge emittiert/emittieren, und einen zweiten optischen Sender-Chip (z.B. den optischen Sender-Chip 110B) beinhalten, dessen einer oder mehrere optische(r) Sender optische Signale mit einer zweiten Wellenlänge emittiert/emittieren, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet.
  • Die Mehrzahl von optischen Sendern 110A-1 bis 110D-4 kann in differentielle Paare unterteilt sein, bei denen einer der optischen Sender eines differentiellen Paares ein variables optisches Signal emittiert, wohingegen der andere der optischen Sender des differentiellen Paares ein optisches Referenzsignal emittiert. Beispielsweise kann es sich bei dem ersten und dem zweiten optischen Sender (z.B. den optischen Sendern 110A-1 und 110A-2) jedes optischen Sender-Chips (z.B. des optischen Sender-Chips 110A) um ein differentielles Paar handeln, das ein variables optisches Signal bzw. ein optisches Referenzsignal emittiert. Auf diese Weise kann jeder der optischen Sender-Chips 110A bis 110D ein oder mehrere differentielle Paare optischer Sender beinhalten. In ähnlicher Weise kann es sich bei dem dritten und dem vierten optischen Sender (z.B. den optischen Sendern 110A-3 und 110A-4) jedes optischen Sender-Chips (z.B. des optischen Sender-Chips 110A) um ein differentielles Paar handeln, das ein variables optisches Signal bzw. ein optisches Referenzsignal emittiert. Auf diese Weise kann jeder der optischen Sender-Chips 110A bis 110D zwei oder mehr differentielle Paare optischer Sender beinhalten. Von einem differentiellen Paar optischer Sender 110A-1 und 110A-2 als Beispiel kann der optische Sender 110A-1 ein variables optisches Signal mit einer variablen Leistung „SigA1“ emittieren und kann der optische Sender 110A-2 ein optisches Referenzsignal mit einer konstanten Leistung „RefA1“ emittieren, sodass dieses differentielle Paar einen Signalwert senden kann, der einer differentiellen Leistung SigA1-RefA1 entspricht. Alternativ kann von dem differentiellen Paar der optische Sender 110A-1 ein variables optisches Signal „SigA1_positiv“ emittieren und kann der optische Sender 110A-2 ein variables optisches Signal „SigA1_negativ“ emittieren, bei dem es sich um ein invertiertes Signal von „SigA1_positiv“ handelt. Bei dieser Implementierung kann der Signalwert durch 1/2 (SigA1_positiv-SigA1_negativ) berechnet werden. Wie in dieser Offenbarung beschrieben, kann eines dieser Signale (das positive oder das negative) als „variabel“ bezeichnet werden, wohingegen das andere als „Referenz“ bezeichnet wird.
  • Der optische Empfänger-Chip 120A beinhaltet eine Mehrzahl von optischen Empfängern 120A-1 bis 120A-4. In ähnlicher Weise beinhalten die optischen Empfänger-Chips 120B, 120C und 120D eine Mehrzahl von optischen Empfängern 120B-1 bis 120B-4, 120C-1 bis 120C-4 bzw. 120D-1 bis 120D-4, zur einfacheren Veranschaulichung werden jedoch nur die optischen Empfänger 120A-1 bis 120A-4 dargestellt. Bei jedem der optischen Empfänger 120A-1 bis 120D-4 kann es sich zum Beispiel um eine Photodiode handeln, sodass jeder der optischen Empfänger-Chips 120A bis 120D ein Photodioden-Array beinhalten kann, das Photodioden als darin enthaltene optische Empfänger aufweist. Bei den optischen Empfänger-Chips 120A bis 120D kann es sich um Halbleiter-Chips handeln, die auf einer Platine, z.B. einer gedruckten Leiterplatte, montiert sind. Bei der Platine kann es sich um dieselbe Platine handeln, auf der die optischen Sender-Chips 110A bis 110D montiert sind. Auf diese Weise kann eine Mehrzahl von auf einer Platine montierten Halbleiter-Chips optische Empfänger-Chips (z.B. die optischen Empfänger-Chips 120A und 120B) beinhalten, wobei jeder der optischen Empfänger-Chips einen oder mehrere optische Empfänger (z.B. den optischen Empfänger 120A-1 des optischen Empfänger-Chips 120A, den optischen Empfänger 120B-1 des optischen Empfänger-Chips 120B) beinhaltet. Allgemeiner ausgedrückt, jeder der auf der Platine montierten Halbleiter-Chips kann zumindest einen der optischen Sender (z.B. den optischen Sender 110A-1) oder zumindest einen der optischen Empfänger (z.B. den optischen Empfänger 120A-1) beinhalten.
  • Die Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern 130-1 bis 130-4 ist auf einer Platine, z.B. einer gedruckten Leiterplatte, ausgebildet und kann aus einem Polymer in einer einzelnen Schicht der Platine hergestellt sein. (Es ist zu beachten, dass „auf“ einer Platine nicht auf eine Ausbildung in einer oberen Schicht der Platine beschränkt ist und eine Ausbildung im Inneren der Platine beinhaltet.) Die Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern 130-1 bis 130-4 kann auf derselben Platine ausgebildet sein, auf der die optischen Sender-Chips 110A bis 110D und/oder die optischen Empfänger-Chips 120A bis 120D montiert sind. Die Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern 130-1 bis 130-4 kann als konzentrische Schleifen, z.B. Kreise, Ovale, Ellipsen, abgerundete Quadrate oder Rechtecke, abgerundete Fünfecke oder beliebige sonstige abgerundete Polygone oder sonstige Formen angeordnet sein, die als konzentrische Schleifen angeordnet werden können. In einem Fall, in dem die Mehrzahl von optischen Sendern 110A-1 bis 110D-4 einen ersten optischen Sender 110A-1, der ein optisches Signal mit einer ersten Wellenlänge emittiert, und einen zweiten optischen Sender 110B-1 beinhaltet, der ein optisches Signal mit einer zweiten Wellenlänge emittiert, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet, können die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 einen Zwischenknoten-Wellenleiter beinhalten, der das optische Signal mit der ersten Wellenlänge und das optische Signal mit der zweiten Wellenlänge ausbreitet. Sämtliche der Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 können optische Signale mit mehreren Wellenlängen ausbreiten.
  • Die Mehrzahl von Multiplexern 140A bis 140D ist auf einer Platine, z.B. einer gedruckten Leiterplatte, ausgebildet, wobei jeder Multiplexer 140A bis 140D dazu gestaltet ist, ein optisches Eingangssignal auf einen Zwischenknoten-Wellenleiter der Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern 130-1 bis 130-4 zu multiplexen. Beispielsweise kann der Multiplexer 140A dazu gestaltet sein, optische Eingangssignale auf jeden der Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 zu multiplexen. In ähnlicher Weise kann jeder der Multiplexer 140B bis 140D dazu gestaltet sein, optische Eingangssignale auf jeden der Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 zu multiplexen. Die Mehrzahl von Multiplexern 140A bis 140D kann auf derselben Platine, auf der die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 ausgebildet sind, und/oder auf derselben Platine ausgebildet sein, auf der die optischen Sender-Chips 110A bis 110D und/oder die optischen Empfänger-Chips 120A bis 120D montiert sind.
  • Die Mehrzahl von Sendewellenleitern 150A-1 bis 150D-4 ist so auf einer Platine, z.B. einer gedruckten Leiterplatte, ausgebildet, dass zumindest einer der Sendewellenleiter 150A-1 bis 150D-4 zumindest einen der Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 überkreuzt, wobei ein Kern eines der überkreuzenden Wellenleiter durch einen Kern oder einen Mantel des anderen verläuft. Die Mehrzahl von Sendewellenleitern 150A-1 bis 150D-4 kann auf derselben Platine, auf der die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 ausgebildet sind, und/oder auf derselben Platine ausgebildet sein, auf der die optischen Sender-Chips 110A bis 110D und/oder die optischen Empfänger-Chips 120A bis 120D montiert sind. Die Sendewellenleiter 150A-1 bis 150D-4 und die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 können aus einem Polymer in einer einzelnen Schicht der Platine hergestellt sein. Jeder Sendewellenleiter 150A-1 bis 150D-4 kann mit einem optischen Sender der Mehrzahl von optischen Sendern 110A-1 bis 110D-4 optisch verbunden sein und dazu gestaltet sein, ein von dem optischen Sender emittiertes optisches Signal zu empfangen und das empfangene optische Signal über einen Multiplexer der Mehrzahl von Multiplexern 140A bis 140D an einen Zwischenknoten-Wellenleiter der Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern 130-1 bis 130-4 zu senden. In dem in 1 dargestellten Beispiel ist der Sendewellenleiter 150A-1 (das Bezugszeichen ist weggelassen worden), der keinen der Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 überkreuzt, mit dem optischen Sender 110A-1 optisch verbunden (wie durch seine Positionierung schematisch veranschaulicht) und dazu gestaltet, ein von dem optischen Sender 110A-1 emittiertes optisches Signal zu empfangen und das empfangene optische Signal über den Multiplexer 140A an den Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 zu senden. In ähnlicher Weise ist der Sendewellenleiter 150A-2 (das Bezugszeichen ist weggelassen worden) mit dem optischen Sender 110A-2 optisch verbunden und dazu gestaltet, ein von dem optischen Sender 110A-2 emittiertes optisches Signal zu empfangen und das empfangene optische Signal über den Multiplexer 140A an den Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 zu senden. Anders als der Sendewellenleiter 150A-1 überkreuzt der Sendewellenleiter 150A-2 jedoch zumindest einen der Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4, im Besonderen den Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1. Aufgrund der Transparenz des Sendewellenleiters 150A-2 und des Zwischenknoten-Wellenleiters 130-1 kann der Kern des Sendewellenleiters 150A-2 auf dem Weg zu dem Zwischenknoten-Wellenleiter 130-2 durch den Kern oder den Mantel des Zwischenknoten-Wellenleiters 130-1 verlaufen. Alternativ kann der Kern des Zwischenknoten-Wellenleiters 130-1 durch den Kern oder den Mantel des Sendewellenleiters 150A-2 verlaufen. Um ein Übersprechen von optischen Signalen zwischen sich überkreuzenden Wellenleitern (z.B. dass ein Teil eines optischen Signals von einem Wellenleiter mit einem optischen Signal in dem anderen Wellenleiter kombiniert wird) zu vermeiden, kann der Winkel zwischen den sich überkreuzenden Wellenleitern am Kreuzungspunkt beinahe oder im Wesentlichen 90 Grad betragen. So, wie die Sendewellenleiter 150A-1 und 150A-2 mit den jeweiligen optischen Sendern 110A-1 und 110A-2 optisch verbunden und dazu gestaltet sind, von diesen emittierte optische Signale zu empfangen und die empfangenen optischen Signale an die jeweiligen Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 und 130-2 zu senden, kann die Mehrzahl von Sendewellenleitern 150A-1 bis 150D-4 mit den jeweiligen optischen Sendern 110A-1 bis 110D-4 optisch verbunden und dazu gestaltet sein, von diesen emittierte optische Signale zu empfangen und die empfangenen optischen Signale an die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 zu senden, wobei es sich versteht, dass sich die Buchstabensuffixe A bis D auf die entsprechenden Sender-Chips 110A bis 110D beziehen, und es sich versteht, dass sich die Zahlensuffixe -1 bis -4 auf die entsprechenden optischen Sender 110A-1 bis 110D-4 und Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 beziehen.
  • Die Mehrzahl von Spiegeln 160A bis 160D ist auf einer Platine, z.B. einer gedruckten Leiterplatte, ausgebildet, wobei jeder Spiegel 160A bis 160D dazu angeordnet ist, ein optisches Signal, das sich auf einem Zwischenknoten-Wellenleiter der Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern 130-1 bis 130-4 ausbreitet, teilweise zu reflektieren, um ein reflektiertes optisches Signal zu erzeugen. Beispielsweise kann der Spiegel 160A optische Signale, die sich auf jedem der Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 ausbreiten, teilweise reflektieren. In ähnlicher Weise kann jeder der Spiegel 160B bis 160D optische Signale, die sich auf jedem der Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 ausbreiten, teilweise reflektieren. So, wie der Begriff „Spiegel“ in dieser Offenbarung verwendet wird, kann er sich auf eine Mehrzahl von Spiegelelementen beziehen, die als Spiegel-Array angeordnet ist. Beispielsweise kann der Spiegel 160A eine Mehrzahl von Spiegelelementen beinhalten, die die optischen Signale, die sich auf jedem der Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1, 130-2, 130-3 und 130-4 ausbreiten, getrennt oder eine Mehrzahl von diesen reflektiert. Der Begriff „Spiegel“ kann sich auch auf ein einzelnes Spiegelelement eines solchen Spiegel-Arrays beziehen. Die Mehrzahl von Spiegeln 160A bis 160D kann auf derselben Platine, auf der die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 ausgebildet sind, und/oder auf derselben Platine ausgebildet sein, auf der die optischen Sender-Chips 110A bis 110D und/oder die optischen Empfänger-Chips 120A bis 120D montiert sind.
  • Die Mehrzahl von Empfangswellenleitern 170A-1 bis 170D-4 ist so auf einer Platine, z.B. einer gedruckten Leiterplatte, ausgebildet, dass zumindest einer der Empfangswellenleiter 170A-1 bis 170D-4 zumindest einen der Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 überkreuzt, wobei ein Kern eines der überkreuzenden Wellenleiter durch einen Kern oder einen Mantel des anderen verläuft. Die Mehrzahl von Empfangswellenleitern 170A-1 bis 170D-4 kann auf derselben Platine, auf der die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 ausgebildet sind, und/oder auf derselben Platine ausgebildet sein, auf der die optischen Sender-Chips 110A bis 110D und/oder die optischen Empfänger-Chips 120A bis 120D montiert sind. Die Empfangswellenleiter 170A-1 bis 170D-4, die Sendewellenleiter 150A-1 bis 150D-4 und die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 können aus einem Polymer in einer einzelnen Schicht der Platine hergestellt sein. Jeder Empfangswellenleiter 170A-1 bis 170D-4 kann mit einem optischen Empfänger der Mehrzahl von optischen Empfängern 120A-1 bis 120D-4 optisch verbunden sein und dazu gestaltet sein, ein durch einen Spiegel der Mehrzahl von Spiegeln 160A bis 160D erzeugtes, reflektiertes optisches Signal zu empfangen und das reflektierte optische Signal an den optischen Empfänger zu senden. In dem in 1 dargestellten Beispiel ist der Empfangswellenleiter 170A-1 (das Bezugszeichen ist weggelassen worden), der keinen der Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 überkreuzt, mit dem optischen Empfänger 120A-1 optisch verbunden und dazu gestaltet, ein durch den Spiegel 160A erzeugtes, reflektiertes optisches Signal zu empfangen und das reflektierte optische Signal an den optischen Empfänger 120A-1 zu senden. In ähnlicher Weise ist der Empfangswellenleiter 170A-2 (das Bezugszeichen ist weggelassen worden) mit dem optischen Empfänger 120A-2 optisch verbunden und dazu gestaltet, ein durch den Spiegel 160A erzeugtes, reflektiertes optisches Signal zu empfangen und das reflektierte optische Signal an den optischen Empfänger 120A-2 zu senden. Anders als der Empfangswellenleiter 170A-1 überkreuzt der Empfangswellenleiter 170A-2 jedoch zumindest einen der Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4, im Besonderen den Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1. Aufgrund der Transparenz des Empfangswellenleiters 170A-2 und des Zwischenknoten-Wellenleiters 130-1 kann der Kern des Empfangswellenleiters 170A-2 auf dem Weg zu dem optischen Empfänger 120A-2 durch den Kern oder den Mantel des Zwischenknoten-Wellenleiters 130-1 verlaufen. Alternativ kann der Kern des Zwischenknoten-Wellenleiters 130-1 durch den Kern oder den Mantel des Empfangswellenleiters 170A-2 verlaufen. Um ein Übersprechen von optischen Signalen zwischen sich überkreuzenden Wellenleitern (z.B. dass ein Teil eines optischen Signals von einem Wellenleiter mit einem optischen Signal in dem anderen Wellenleiter kombiniert wird) zu vermeiden, kann der Winkel zwischen den sich überkreuzenden Wellenleitern am Kreuzungspunkt beinahe oder im Wesentlichen 90 Grad betragen. So, wie die Empfangswellenleiter 170A-1 und 170A-2 mit den optischen Empfängern 120A-1 bzw. 120A-2 optisch verbunden und dazu gestaltet sind, durch den Spiegel 160A erzeugte, reflektierte optische Signale zu empfangen und die reflektierten optischen Signale an die optischen Empfänger 120A-1 bzw. 120A-2 zu senden, kann die Mehrzahl von Sendewellenleitern 170A-1 bis 170D-4 mit den jeweiligen optischen Empfängern 120A-1 bis 120A-4 optisch verbunden und dazu gestaltet sein, durch die Spiegel 160A bis 160D erzeugte, reflektierte optische Signale zu empfangen und die reflektierten optischen Signale an die jeweiligen optischen Empfänger 120A-1 bis 120D-4 zu senden, wobei es sich versteht, dass sich die Buchstabensuffixe A bis D auf die entsprechenden optischen Empfänger-Chips 120A bis 120D beziehen, und es sich versteht, dass sich die Zahlensuffixe -1 bis -4 auf die entsprechenden optischen Empfänger 120A-1 bis 120D-4 beziehen.
  • Die Mehrzahl von Filtern 180A bis 180D ist auf einer Platine, z.B. einer gedruckten Leiterplatte, ausgebildet, wobei jedes Filter 180A bis 180D dazu ausgebildet ist, eine Gewichtung auf ein durch einen Spiegel der Mehrzahl von Spiegeln 160A bis 160D erzeugtes, reflektiertes optisches Signal anzuwenden, bevor das reflektierte optische Signal durch den Empfangswellenleiter 170A-1 bis 170D-4, der das reflektierte optische Signal empfängt, an einen optischen Empfänger 120A-1 bis 120D-4 gesendet wird. Beispielsweise kann das Filter 180A dazu gestaltet sein, Gewichtungen auf durch den Spiegel 160A erzeugte, reflektierte optische Signale anzuwenden, bevor die reflektierten optischen Signale durch die Empfangswellenleiter 170A-1 bis 170A-4 an die optischen Empfänger 120A-1 bis 120A-4 gesendet werden. In ähnlicher Weise kann jedes der Filter 180B bis 180D dazu gestaltet sein, Gewichtungen auf jeweils durch die Spiegel 180B bis 180D erzeugte, reflektierte optische Signale anzuwenden, bevor die reflektierten optischen Signale an die optischen Empfänger 120B-1 bis 120B-4, 120C-1 bis 120C-4 bzw. 120D-1 bis 120D-4 gesendet werden. Die Mehrzahl von Filtern 180A bis 180D kann auf derselben Platine, auf der die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 ausgebildet sind, und/oder auf derselben Platine ausgebildet sein, auf der die optischen Sender-Chips 110A bis 110D und/oder die optischen Empfänger-Chips 120A bis 120D montiert sind. So, wie der Begriff „Filter“ in dieser Offenbarung verwendet wird, kann er sich auf eine Mehrzahl von Filterelementen beziehen, die als Filter-Array angeordnet ist. Beispielsweise kann das Filter 180A eine Mehrzahl von Filterelementen beinhalten, die getrennte Gewichtungen auf optische Signale anwendet, die auf jedem der Empfangswellenleiter 170A-1, 170A-2, 170A-3 und 170A-4 gesendet werden. In ähnlicher Weise kann das Filter 180B eine Mehrzahl von Filterelementen beinhalten, die getrennte Gewichtungen auf optische Signale anwendet, die auf jedem der Empfangswellenleiter 170B-1, 170B-4, 170B-3 und 170B-4 gesendet werden.
  • Jede der Signalleitungen 190A-1 bis 190D-4 innerhalb eines Knotens ist mit einem optischen Empfänger der Mehrzahl von optischen Empfängern 120A-1 bis 120D-4 und einem optischen Sender der Mehrzahl von optischen Sendern 110A-1 bis 110D-4 verbunden und ist dazu gestaltet, ein elektrisches Signal zu empfangen, das eine Leistung eines durch den optischen Empfänger empfangenen optischen Signals darstellt, und das elektrische Signal an den optischen Sender zu senden, wodurch der optische Empfänger und der optische Sender so verbunden werden, dass ein Eingang und ein Ausgang eines Neurons ausgebildet werden. Beispielsweise kann die Signalleitung 190A-1 innerhalb eines Knotens mit dem optischen Empfänger 120A-1 und dem optischen Sender 110A-1 verbunden und dazu gestaltet sein, ein elektrisches Signal zu empfangen, das eine Leistung eines durch den optischen Empfänger 120A-1 empfangenen optischen Signals darstellt, und das elektrische Signal an den optischen Sender 110A-1 zu senden, wodurch der optische Empfänger 120A-1 und der optische Sender 110A-1 so verbunden werden, dass ein Eingang und ein Ausgang eines Neurons ausgebildet werden. (Die verschiedenen Wellenleiter einschließlich der Sendewellenleiter, der Empfangswellenleiter und der Zwischenknoten-Wellenleiter können auf diese Weise als Synapsen dienen.) Auf diese Weise kann in dem in 1 veranschaulichten spezifischen Beispiel jeder Satz aus den Sender-Chips 110 und den Empfänger-Chips 120, die dasselbe Buchstabensuffix aufweisen (z.B. der Sender-Chip 110A und der Empfänger-Chip 120A), abhängig davon, ob die optischen Sender 110A-1 bis 110D-4 in differentielle Paare unterteilt sind, zwei oder vier Neuronen aufweisen. Bei differentiellen Paaren kann der Satz aus dem Sender-Chip 110A und dem Empfänger-Chip 120A zum Beispiel ein erstes Neuron beinhalten, das einen variablen optischen Sender 110A-1, einen optischen Referenzsender 110A-2, optische Empfänger 120A-1 und 120A-2 und Signalleitungen 190A-1 und 190A-2 innerhalb eines Knotens aufweist, und kann ein zweites Neuron beinhalten, das einen variablen optischen Sender 110A-3, einen optischen Referenzsender 110A-4, optische Empfänger 120A-3 und 120A-4 und Signalleitungen 190A-3 und 190A-4 innerhalb eines Knotens aufweist. Bei der Anzahl von Neuronen in einem Chip-Paar kann es sich jedoch um eine beliebige Anzahl handeln. Des Weiteren können optische Sender und optische Empfänger in einigen Ausführungsformen in einem einzigen Chip implementiert sein.
  • In 1 beinhaltet jeder der optischen Sender-Chips 110A bis 110D dieselbe Anzahl von optischen Sendern (z.B. vier optische Sender 110A-1 bis 110A-4 bei dem optischen Sender-Chip 110A) und beinhaltet jeder der optischen Empfänger-Chips 120A bis 120D dieselbe Anzahl von optischen Empfängern (z.B. vier optische Empfänger 120A-1 bis 120A-4 bei dem optischen Empfänger-Chip 120A). Darüber hinaus stimmt die Anzahl von optischen Sendern (z.B. vier), die in jedem der optischen Sender-Chips 110A bis 110D beinhaltet ist, mit der Anzahl von optischen Empfängern (z. B. vier) überein, die in jedem der optischen Empfänger-Chips 120A bis 120D beinhaltet ist. In diesem Fall kann die Anzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern 130-1 bis 130-4, die über die Sendewellenleiter mit jedem der optischen Sender-Chips verbunden sind (z.B. vier, zum Beispiel die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4, die über die Sendewellenleiter 150A-1 bis 150A-4 mit dem optischen Sender-Chip 110A verbunden sind, oder die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4, die über die Sendewellenleiter 150A-1 bis 150A-4 mit dem optischen Sender-Chip 11 OB verbunden sind), mit der Anzahl von optischen Sendern, die in jedem der optischen Sender-Chips beinhaltet sind (z.B. vier), und der Anzahl von optischen Empfängern, die in jedem der optischen Empfänger-Chips beinhaltet sind (z.B. vier), übereinstimmen. Durch Anpassen der Anzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern 130-1 bis 130-4 an die Anzahlen von optischen Sendern/Empfängern je Chip kann jeder der Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 dem übereinstimmend positionierten optischen Sender/Empfänger jedes Chips zugeordnet werden, um einen Kanal zu definieren, z.B. Kanäle, die den Zahlensuffixen -1 bis -4 entsprechen. Wenn zum Beispiel der zweite optische Sender (z.B. der optische Sender 110A-2 oder 11 0B-2) jedes optischen Sender-Chips (z.B. des optischen Sender-Chips 110A oder 110B) ein optisches Referenzsignal eines differenzielle Signals emittiert, wie oben beschrieben, können sämtliche zweite optische Sender (z.B. die optischen Sender 110A-2, 110B-2, 110C-2 und 110D-2), sämtliche zweite optische Empfänger (z.B. die optischen Empfänger 120A-2, 120B-2, 120C-2 und 120D-2), sämtliche zweite Sendewellenleiter (z.B. die Sendewellenleiter 150A-2, 150B-2, 150C-2 und 150D-2), sämtliche zweite Empfangswellenleiter (z.B. die Empfangswellenleiter 170A-2, 170B-2, 170C-2 und 170D-2) und der Zwischenknoten-Wellenleiter 130-2 einen Referenzkanal zur Verwendung durch eine Mehrzahl von differentiellen Paaren von optischen Sendern definieren.
  • 2 stellt ein beispielhaftes Schaubild eines Bereichs der in 1 dargestellten Wellenleiterarchitektur, im Besonderen des durch den gestrichelten Kreis in 1 angegebenen Bereichs dar. Wie in 2 dargestellt, beinhaltet der Multiplexer einen Eintrittsspiegel 141A und eine y-förmige Wellenleiterstruktur 142A-1, die durch einen ersten Eintrittszweig und einen Austrittszweig mit einem Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 verbunden ist, auf den der Multiplexer 140A sein Eingangssignal multiplext, wobei der Eintrittsspiegel 141A dazu gestaltet ist, als Eingangssignal ein optisches Signal zu empfangen, das durch einen Sendewellenleiter 150A-1 der Mehrzahl von Wellenleitern gesendet wird, und das Eingangssignal zu reflektieren, um ein reflektiertes optisches Signal zu erzeugen, das in einen zweiten Eintrittszweig der y-förmigen Wellenleiterstruktur eintritt und sich mit einem optischen Signal verbindet, das sich auf dem Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 ausbreitet, wo der zweite Eintrittszweig auf den ersten Eintrittszweig der y-förmigen Wellenleiterstruktur 142A-1 trifft. Bei dem ersten Eintrittszweig und dem Austrittszweig der y-förmigen Wellenleiterstruktur 142A-1 kann es sich physisch um Längen des Zwischenknoten-Wellenleiters 130-1, z.B. um solche Längen vor und nach der Stelle handeln, an der der zweite Eintrittszweig so auf den Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 trifft, dass die y-förmige Wellenleiterstruktur 142A-1 ausgebildet wird. Aus diesem Grund wird in 2 nur der zweite Eintrittszweig der y-förmigen Wellenleiterstruktur 142A-1 als von dem Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 getrennte Struktur dargestellt. Der Eintrittsspiegel 141A kann einen Reflexionskoeffizienten von im Wesentlichen 1 für Licht aufweisen, das auf der Seite einfällt, die dem Sendewellenleiter 150A-1 zugewandt ist, wohingegen sie einen Reflexionskoeffizienten von im Wesentlichen 0 für Licht aufweisen kann, das auf der gegenüberliegenden Seite einfällt. Auf diese Weise kann der Eintrittsspiegel 141A das durch den Sendewellenleiter 150A-1 gesendete optische Signal so reflektieren, dass das reflektierte optische Signal in den zweiten Eintrittszweig der y-förmigen Wellenleiterstruktur 142-1 eintritt, während optische Signale, die sich auf dem Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 ausbreiten, so durchgelassen werden, dass sie in den ersten Eintrittszweig der y-förmigen Wellenleiterstruktur 142-1 eintreten.
  • Die y-förmigen Wellenleiterstrukturen 142-2 bis 142-4 können im Hinblick auf die Sendewellenleiter 150-2 bis 150-4 und die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-2 bis 130-4 dieselbe Funktionalität aufweisen, wie sie die y-förmige Wellenleiterstruktur 142-1 im Hinblick auf den Sendewellenleiter 150-1 und den Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 aufweist. Der Multiplexer 140A kann sich auf die Kombination aus dem Eintrittsspiegel 141A und jeder der y-förmigen Wellenleiterstrukturen 142A-1 bis 142A-4 beziehen. Alternativ kann sich der Multiplexer 140A auf den Eintrittsspiegel 141A in Kombination mit einer einzelnen y-förmigen Wellenleiterstruktur (z.B. 142A-1) beziehen, sodass 2 vier Multiplexer 140A darstellt, die den Eintrittsspiegel 141A gemeinsam nutzen.
  • 3 stellt ein beispielhaftes Schaubild der in 1 dargestellten Wellenleiterarchitektur einschließlich Reflexionskoeffizienten der Spiegel 160A bis 160D dar. Aufgrund des begrenzten Platzes werden nur die optischen Sender-Chips 110A bis 110D, die optischen Empfänger-Chips 120A bis 120D, die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 und die Spiegel 160A bis 160D in 3 mit Bezugszeichen versehen, und keiner der einzelnen optischen Sender 110A-1 bis 110D-4 oder optischen Empfänger 120A-1 bis 120D-4 wird dargestellt. Des Weiteren sind die Kennzeichnungen „Tx“ und „Rx“ für die optischen Sender-Chips 110A bis 110D und die optischen Empfänger-Chips 120A bis 120D weggelassen worden, und an ihrer Stelle wird jeder der optischen Sender-Chips 110A bis 110D durch eine entsprechende Wellenlänge λA bis λD gekennzeichnet. Wie durch diese Kennzeichnungen angegeben, sind in dem in 3 dargestellten Beispiel die optischen Sender-Chips 110A bis 110D jeweils entsprechenden Sendewellenlängen λA bis λD zugeordnet. Das heißt, die durch die Mehrzahl von optischen Sender-Chips 110A-1 bis 110A-4 des optischen Sender-Chips 110A emittierten optischen Signale weisen die Wellenlänge λA auf, die durch die Mehrzahl von optischen Sender-Chips 110B-1 bis 110B-4 des optischen Sender-Chips 110B emittierten optischen Signale weisen die Wellenlänge λB auf usw. Folglich weisen zum Beispiel die durch die optischen Sender 110A-1, 110B-1, 110C-1 und 110D-1 emittierten optischen Signale jeweilige Wellenlängen λA, λB, λC und λD auf, und diese vier optischen Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen werden jeweils durch die Sendewellenleiter 150A-1, 150B-1, 150C-1 und 150D-1 gesendet und durch die jeweiligen Multiplexer 140A, 140B, 140C und 140D mithilfe eines Wellenlängen-Multiplexverfahrens (WDM) auf den innersten Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 gemultiplext. In ähnlicher Weise weisen die durch die optischen Sender 110A-2, 110B-2, 110C-2 und 110D-2 emittierten optischen Signale jeweilige Wellenlängen λA, λB, λC und λD auf, und diese vier optischen Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen können jeweils durch die Sendewellenleiter 150A-2, 150B-2, 150C-2 und 150D-2 gesendet und durch die jeweiligen Multiplexer 140A, 140B, 140C und 140D mithilfe eines Wellenlängen-Multiplexverfahrens (WDM) auf den nächsten Zwischenknoten-Wellenleiter 130-2 gemultiplext werden. Der dritte und der vierte Kanal können entsprechend arbeiten. Auf diese Weise können sich die optischen Signale mit den vier Wellenlängen λA, λB, λC und λD auf jedem der vier Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 ausbreiten.
  • In dem in 3 dargestellten Beispiel sind die Spiegel 160A bis 160A so gestaltet, dass die optischen Empfänger-Chips 120A bis 120D jedes Chip-Paares (jedes Paares aus einem optischem Empfänger-Chip und einem optischem Sender-Chip) sämtliche durch die optischen Sender-Chips der anderen Chip-Paare emittierten optischen Signale empfängt. Beispielsweise ist der Spiegel 160A so gestaltet, dass der optische Empfänger-Chip 120A sämtliche durch die optischen Sender-Chips 120B, 120C und 120D emittierten optischen Signale empfängt. Im Besonderen, wie in 3 beispielhaft dargestellt, kann der Reflexionskoeffizient des Spiegels 160A von der Wellenlänge abhängen. Beispielsweise kann ein Bragg-Filter oder eine Kombination von Bragg-Filtern mit unterschiedlichen Transparenzen für unterschiedliche Wellenlängen als beliebiger der Spiegel 160A bis 160D verwendet werden. Bei der in 3 dargestellten Wellenleiterarchitektur verlaufen die optischen Signale, die sich auf den Zwischenknoten-Wellenleitern 130-1 bis 130-4 ausbreiten, entgegen dem Uhrzeigersinn. Wenn die durch den optischen Sender-Chip 110D emittierten optischen Signale den Spiegel 160A erreichen, um zu dem optischen Empfänger-Chip 120A reflektiert zu werden, müssen die optischen Signale folglich noch an den Spiegeln 160B und 160C eintreffen, um zu den optischen Empfänger-Chips 120B und 120C reflektiert zu werden, und es muss ihnen dementsprechend ermöglicht werden, durch den Spiegel 160A gesendet zu werden. Wenn die durch den optischen Sender-Chip 110C emittierten optischen Signale an dem optischen Empfänger 120A eintreffen, müssen die optischen Signale noch an dem Spiegel 160B eintreffen, und es muss ihnen dementsprechend ermöglicht werden, durch den Spiegel 160A gesendet zu werden. Wenn die durch den optischen Sender-Chip 110C emittierten optischen Signale an dem optischen Empfänger 120A eintreffen, brauchen die optischen Signale nicht weiter zu verlaufen (in dem Fall, in dem sie nicht durch den optischen Empfänger-Chip 110C desselben Chip-Paares wie der optische Sender-Chip 110C empfangen werden müssen).
  • Auf Grundlage dieser Grundgedanken können die Spiegel 160A bis 160D gestaltet sein, wie in 3 dargestellt, sodass (unter Verwendung des Spiegels 160A als repräsentatives Beispiel) der Reflexionskoeffizient bei der Wellenlänge λD etwa 0,33 oder ein Drittel beträgt, was ermöglicht, dass das von dem optischen Sender-Chip 110D emittierte optische Signal noch durch die beiden optischen Empfänger-Chips 120B und 120C empfangen wird, der Reflexionskoeffizient bei der Wellenlänge λC etwa 0,5 beträgt, was ermöglicht, dass eine Hälfte der verbleibenden zwei Drittel des von dem optischen Sender-Chip 110C emittierten optischen Signals noch durch einen optischen Empfänger-Chip 120B empfangen wird (nachdem das erste Drittel durch den Spiegel 160D reflektiert worden ist), und der Reflexionskoeffizient bei der Wellenlänge λB etwa 1 beträgt, z.B. der verbleibende Teil des von dem optischen Sender-Chip 110C emittierten optischen Signals (nachdem die ersten beiden Drittel durch die Spiegel 160C und 160D reflektiert worden sind). Was den Reflexionskoeffizienten bei der Wellenlänge λA betrifft, so wird er in 3 als 0* angegeben, da er bei einigen Ausführungsformen null betragen kann, wodurch keine Reflexion des verbleibenden, von dem optischen Sender-Chip 110A emittierten optischen Signals durch den Spiegel 160A ermöglicht wird, oder es kann sich um einen beliebigen willkürlichen Wert in der Annahme handeln, dass kein solches optisches Signal mit λA verbleibt, nachdem es durch die Spiegel 160B, 160C und 160D reflektiert worden ist. Die Spiegel 160B, 160C und 160D können entsprechend gestaltet sein, wie in 3 dargestellt. Für jeden der optischen Empfänger 120A-1 bis 120D-4, die über eine Signalleitung 190A-1 bis 190D-4 innerhalb eines Knotens mit einem optischen Sender 110A-1 bis 110D-4 verbunden sind, beinhaltet die Mehrzahl von Spiegeln 160A bis 160D einen Spiegel, dessen reflektiertes optisches Signal an den optischen Empfänger gesendet wird und dessen Reflexionskoeffizient bei einer Wellenlänge des durch den optischen Sender emittierten optischen Signals im Wesentlichen null ist. Bei diesen Reflexionskoeffizienten λA bis λD kann jedes optische Signal von jedem optischen Sender im Wesentlichen reflektiert und in eine Mehrzahl von optischen Signalen aufgeteilt werden, die im Wesentlichen dieselbe Leistung aufweisen (z.B. 1/3 des gesendeten optischen Signals in dieser Ausführungsform ohne Berücksichtigung des optischen Verlusts durch Wellenleiter), und jedes aufgeteilte optische Signal kann durch einen entsprechenden Empfangswellenleiter ausgebreitet werden.
  • 4 stellt ein beispielhaftes Schaubild des Bereichs der in 2 dargestellten Wellenleiterarchitektur einschließlich willkürlicher Gewichtungen des Filters 180A dar. Aufgrund des begrenzten Platzes und der Einfachheit halber werden nur die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4, die Sendewellenleiter 150A-1 bis 150A-4, der Spiegel 160A, die Empfangswellenleiter 170A-1 bis 170A-4 und das Filter 180A in 4 mit Bezugszeichen versehen. In dem Beispiel von 4 handelt es sich bei dem Filter 180A um ein Spektralfilter, dessen angewendete Gewichtung von der Wellenlänge abhängt. Das Beispiel von 4 verwendet dieselbe Übereinkunft im Hinblick auf Wellenlängen wie 3. Das heißt, die Wellenlängen λA, λB, λC und λD sind die Wellenlängen der durch die optischen Sender-Chips 110A, 110B, 110C bzw. 110D emittierten optischen Signale. Wie des Weiteren als Beispiel im Hinblick auf 3 beschrieben, können sich solche optischen Signale mit vier Wellenlängen auf jedem der Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1, 130-2, 130-3 und 130-4 ausbreiten und können durch den Spiegel 160A so reflektiert werden, dass reflektierte optische Signale mit jeder der vier Wellenlängen (oder drei von vier, abhängig von der Gestaltung der Spiegel 160A bis 160D) durch jeden Empfangswellenleiter 170A-1, 170A-2, 170A-3 und 170A-4 an den optischen Empfänger-Chip 120A gesendet werden. Mithilfe eines Spektralfilters als Filter 180A kann das optische Signal mit jeder Wellenlänge unterschiedlich gewichtet werden. Es ist darüber hinaus zu beachten, dass sich das Gewichtungsschema bei jedem der Empfangswellenleiter 170A-1, 170A-2, 170A-3 und 170A-4 unterscheiden kann, da es sich bei dem Filter um ein Filter-Array handeln kann, das mehrere Filterelemente beinhaltet, wie oben beschrieben.
  • In dem in 4 dargestellten spezifischen Beispiel werden willkürliche Gewichtungen für jede Wellenlänge für jeden der Empfangswellenleiter 170A-1, 170A-2, 170A-3 und 170A-4 dargestellt. Der Einfachheit halber werden drei Schattierungen verwendet: Weiß stellt eine relativ „transparente“ Filterung, z.B. eine hohe Gewichtung, dar, schwarz stellt eine relativ „opake“ Filterung, z.B. eine geringe Gewichtung dar, und grau stellt eine Filterung mit einer mittleren Gewichtung dar. Jedoch kann eine beliebige Anzahl von Gewichtungsabstufungen möglich sein. In dem Beispiel von 4 sind der zweite und der vierte Kanal, z.B. die Kanäle, die die Empfangswellenleiter 170A-2 und 170A-4 beinhalten, für optische Referenzsignale von differentiellen Paaren bestimmt und werden folglich in diesem Beispiel mit der mittleren Gewichtung (grau) für alle Wellenlängen versehen. Die Gewichtungen für den ersten und den dritten Kanal, z.B. die Kanäle, die die Empfangswellenleiter 170A-1 und 170A-3 beinhalten, sollen eine willkürliche Verteilung von Gewichtungen darstellen. Auf diese Weise kann das Filter 180A die durch jeden der optischen Sender 110A-1 bis 110D-4 emittierten optischen Signale getrennt gewichten. In ähnlicher Weise können die Filter 180B, 180C und 180D die durch jeden der optischen Sender 110A-1 bis 110D-4 emittierten optischen Signale entweder mithilfe übereinstimmender oder unterschiedlicher Gewichtungsverteilungen getrennt gewichten. Bei einigen Ausführungsformen braucht das Filter 180A keine Gewichtung auf optische Signale mit der Wellenlänge λA anzuwenden (oder kann eine Gewichtung von null anwenden), da die die Spiegel 160A bis 160D dazu gestaltet sein können zu verhindern, dass die Empfangswellenleiter 170A-1 bis 170A-4 optische Signale mit einer Wellenlänge λA (wie zum Beispiel optische Signale, die durch den optischen Sender-Chip 110A desselben Chip-Paares emittiert worden sind) empfangen. Dasselbe kann entsprechend für die übrigen Filter 180B bis 180D gelten.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann es möglich sein, die Gewichtungen der Filter 180A bis 180D zu ändern. Beispielsweise können die Filter 180A bis 180D ein oder mehrere auswechselbare Filter beinhalten, die ausgewechselt, z.B. physisch entfernt und ausgetauscht, werden können, um die angewendete(n) Gewichtung(en) zu ändern. Dieser Austausch kann durch einen manuellen Vorgang eines Benutzers durchgeführt werden. Stattdessen kann ein Manipulator oder ein Mechanismus, der durch eine Steuereinheit oder einen Computer gesteuert wird, die/der mit der photonischen neuronalen Komponente 100 verbunden oder in dieser beinhaltet ist, jedes Filter 180A bis 180D oder die einzelnen Filterelemente an jedem Empfangswellenleiter 170A-1 bis 170D-4 ändern. Als weiteres Beispiel können die Filter 180A bis 180D ein oder mehrere variable Filter beinhalten, deren Transparenz variierbar ist, um die angewendete(n) Gewichtung(en) zu ändern. Das Variieren der Transparenz kann auf verschiedene Weisen erreicht werden, z.B. mithilfe von Flüssigkristallfiltern, deren Transparenz durch Ändern der Steuerspannung geändert werden kann, mithilfe von optischen Dämpfungsgliedern zum Ändern der Leistung des Lichts, Aufteilen eines optischen Signals auf mehrere Teilwellenleiter und selektives EIN- und AUS-Schalten von optischen Schaltern, um nur einen Teil der Teilwellenleiter das optische Signal ausbreiten zu lassen. Solche Gestaltungen zum Variieren der Transparenz zum Einstellen der Gewichtung können nach einem Aufteilen der optischen Signale auf jedem der Empfangswellenleiter 170A-1 bis 170A-4 in die jeweiligen Wellenlängen λA, λB, λC und λD eingesetzt werden. Infolgedessen kann der optische Empfänger 120D-1 als Beispiel optische Signale mit einer Gesamtleistung von PRxD-1 = 1/3 (WλAD-1 TTxA-1 + WλBD-1 TTxB-1 + WλCD-1 TTxC-1) ohne Berücksichtigung eines Leistungsverlusts durch Wellenleiter empfangen, wobei TTxA-1, TTxB-1 und TTxC-1 Leistungen der emittierten optischen Signale von den optischen Sendern 110A-1, 110B-1 bzw. 110C-1 darstellen, WλAD-1, WλBD-1, und WλCD-1 Gewichtungen auf Grundlage der Transparenzkoeffizienten des Filters 180A für den Empfangswellenleiter 170D-1 bei den Wellenlängen λA, λB bzw. λC sind, ein differentielles Paar aus dem optischen Empfänger 120D-1 und 120D-2 differentielle optische Signale mit den Leistungen PRxD-1 und PRxD-2 empfängt und ein Empfangswert auf Grundlage der Differenz zwischen diesen Leistungen berechnet wird (z.B. PRxD1&2 = PRxD-1 - PRxD-2). Ein Satz eines differentiellen Paares von optischen Empfängern (z.B. 120D-1 und 120D-2) und eines entsprechenden differentiellen Paares von optischen Sendern (z.B. 110D-1 und 110D-2) kann in jedem Neuron beinhaltet sein, und der Ausgang des Neurons kann durch Anwenden einer neuronalen Ausgangsfunktion f(x) wie zum Beispiel einer Sigmoidfunktion auf einen Empfangswert oder durch ein Integrate-and-Fire-spiking-Modell berechnet werden. Beispielsweise kann der Wert des Ausgangssignals, der durch die Differenz der von dem differentiellen Paar von optischen Sendern 110D-1 und 110D-2 ausgegebenen optischen Leistungen dargestellt wird, auf Grundlage von f(PRxD1&2) ermittelt (z.B. proportional ermittelt) werden.
  • 5 stellt eine beispielhafte schematische Seitenansicht eines Abschnitts einer Platine dar, auf der der Sender-Chip 110A und der Sendewellenleiter 150A-1 ausgebildet sind. In dem in 5 dargestellten Beispiel handelt es sich bei der Platine, auf der der Sendewellenleiter 150A-1 ausgebildet ist, um dieselbe Platine, auf der der optische Sender-Chip 110A montiert ist. Wie in 5 dargestellt, ist der Sendewellenleiter 150A-1 auf einer Fläche der Platine (die durch die horizontale Fläche dargestellt wird, auf der der Sendewellenleiter 150A-1 ausgebildet ist) zusammen mit einem Eintrittsspiegel 510 ausgebildet, der so gestaltet ist, dass er Licht aus einer Richtung senkrecht zu der Platine in eine Richtung parallel zu der Platine z.B. im Wesentlichen in einem Winkel von 45° im Hinblick auf die Platine umlenkt. Der optische Sender-Chip 110A, der den optischen Sender 110A-1 beinhaltet, ist z.B. durch Flip-Chip-Montage so auf der Platine montiert, dass der optische Sender 110A-1 der Platine zugewandt ist. Die gestrichelte Linie stellt ein durch den optischen Sender 110A-1 emittiertes optisches Signal schematisch dar.
  • 6 stellt eine beispielhafte schematische Seitenansicht eines Abschnitts einer Platine dar, auf der der Empfänger-Chip 120A und der Empfangswellenleiter 170A-1 ausgebildet sind. In dem Beispiel von 6 handelt es sich bei der Platine, auf der der Empfangswellenleiter 170A-1 ausgebildet ist, um dieselbe Platine, auf der der optische Empfänger-Chip 170A montiert ist. Wie in 6 dargestellt, ist der Empfangswellenleiter 170A-1 auf einer Fläche der Platine (die durch die horizontale Fläche dargestellt wird, auf der der Sendewellenleiter 170A-1 ausgebildet ist) zusammen mit einem Austrittsspiegel 610 ausgebildet, um Licht aus einer Richtung parallel zu der Platine in eine Richtung senkrecht zu der Platine z.B. im Wesentlichen in einem Winkel von 45° im Hinblick auf die Platine umzulenken. Der optische Empfänger-Chip 120A, der den optischen Empfänger 120A-1 beinhaltet, ist z.B. durch Flip-Chip-Montage so auf der Platine montiert, dass der optische Empfänger 120A-1 der Platine zugewandt ist. Die gestrichelte Linie stellt ein durch den optischen Empfänger 120A-1 empfangenes optisches Signal schematisch dar.
  • Die im Hinblick auf 5 beschriebene Gestaltung kann auch für die übrigen mit dem optischen Sender-Chip 110A verbundenen Sendewellenleiter 150A-2 bis 150A-4 gelten, und die im Hinblick auf 6 beschriebene Gestaltung kann auch für die übrigen mit dem optischen Empfänger-Chip 120A verbundenen Empfangswellenleiter 170A-2 bis 170A-4 gelten. Darüber hinaus können die im Hinblick auf 5 und 6 beschriebenen Gestaltungen entsprechend für die Sendewellenleiter 150B-1 bis 150D-4 und optischen Sender-Chips 110B bis 110D und für die Empfangswellenleiter 170B-1 bis 170D-4 und optischen Empfänger-Chips 120B bis 120D gelten. Folglich kann jeder der optischen Sender-Chips 110A bis 110D und optischen Empfänger-Chips 120A bis 120D so angeordnet sein, dass zumindest ein in dem Chip beinhalteter optischer Sender (z.B. der optische Sender 110A-1) oder zumindest ein in dem Chip beinhalteter optischer Empfänger (z.B. der optische Empfänger 120A-1) der Platine zugewandt ist, wobei die Sendewellenleiter 150A-1 bis 150D-4 über die Eintrittsspiegel 510 mit den optischen Sendern 110A-1 bis 110D-4 verbunden sind und die Empfangswellenleiter 170A-1 bis 170D-4 über die Austrittsspiegel 610 mit den optischen Empfängern 120A-1 bis 120D-4 verbunden sind.
  • Die verschiedenen Wellenleiter und die Multiplexer 140A bis 140D der photonischen neuronalen Komponente 100 können durch Ausbilden einer unteren Mantelschicht in einer Schicht einer Platine, Ausbilden einer Kernschicht auf der unteren Mantelschicht und Ausbilden einer oberen Mantelschicht auf der Kernschicht gefertigt werden. Die untere und die obere Mantelschicht können zum Beispiel durch Aufbringen eines ersten Polymers mithilfe von Rotationsbeschichtung oder Vorhangbeschichtung und Brennen ausgebildet werden. Die untere und die obere Mantelschicht können durch mehrere parallele Wellenleiter gemeinsam genutzt werden. Die Kernschicht kann zum Beispiel durch Aufbringen eines zweiten oder desselben Polymers mithilfe von Rotationsbeschichtung oder Vorhangbeschichtung und Brennen ausgebildet werden, wobei eine Photomaskenstruktur mit einer Öffnung in einem Abschnitt, der als Kern vorgesehen ist, auf dem zweiten Polymer ausgebildet wird und mit Ultraviolettstrahlen bestrahlt wird, um den Brechungsindex zu erhöhen. Die Spiegel 160A bis 160D, die Eintrittsspiegel 510 und die Austrittsspiegel 560 können während der Ausbildung der Wellenleiter z.B. durch Schneiden eines Endabschnitts des Kerns und Ausbilden einer reflektierenden Fläche durch Gasphasenabscheidung eines Spiegelmaterials wie zum Beispiel Aluminium, Silber usw. ausgebildet werden, oder es kann ein Totalreflexionsmechanismus verwendet werden.
  • 7 stellt ein beispielhaftes Schaubild einer Wellenleiterarchitektur für eine photonische neuronale Komponente 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. Die Architektur von 7 ist ein Beispiel dafür, wie die Architektur von 1 so erweitert werden kann, dass sie mehr Paare von Sender- und Empfänger-Chips, z.B. mehr Neuronen, beinhaltet. Aufgrund des begrenzten Platzes werden von der Mehrzahl von Sendewellenleitern 150B-1 bis 150B-4, 150D-1 bis 150D-4, 150E-5 bis 150E-8, 150F-5 bis 150F-8 und 150H-5 bis 150H-8 nur die Sendewellenleiter 150D-1 bis 150D-4 in 7 mit Bezugszeichen versehen. In ähnlicher Weise wird von der Mehrzahl von Multiplexern 140A bis 140H nur der Multiplexer 140B in 7 mit einem Bezugszeichen versehen, wird von der Mehrzahl von Spiegeln 160A bis 160H nur der Spiegel 160B in 7 mit einem Bezugszeichen versehen, wird von der Mehrzahl von Filtern 180B, 180D, 180E, 180F und 180H nur das Filter 180B in 7 mit einem Bezugszeichen versehen, werden von der Mehrzahl von Empfangswellenleitern 170B-1 bis 170B-4, 170D-1 bis 170D-4, 170E-5 bis 170E-8, 170F-5 bis 170F-8 und 170H-5 bis 170H-8 nur die Empfangswellenleiter 170D-1 bis 170D-4 in 7 mit Bezugszeichen versehen und werden von der Mehrzahl von Signalleitungen 190B-1 bis 190B-4, 190D-1 bis 190D-4, 190E-5 bis 190E-8, 190F-5 bis 190F-8 und 190H-5 bis 190H-8 innerhalb eines Knotens nur die Signalleitungen 190H-5 bis 190H-8 innerhalb eines Knotens in 7 mit Bezugszeichen versehen. Dennoch kann auf die weggelassenen Bezugszeichen der in 7 dargestellten Sendewellenleiter, Multiplexer, Spiegel, Empfangswellenleiter, Filter und Signalleitungen innerhalb eines Knotens in dieser Offenbarung Bezug genommen werden, wobei es sich versteht, dass sich die Buchstabensuffixe A bis H auf die entsprechenden optischen Sender-Chips 110A bis 110H und optischen Empfänger-Chips 120A bis 120H beziehen, und es sich versteht, dass sich die Zahlensuffixe -1 bis -8 auf die entsprechenden Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-8 beziehen.
  • So, wie die optischen Sender-Chips 110A bis 110D von 1 entsprechende Mehrzahlen von optischen Sendern 110A-1 bis 110A-4, 110B-1 bis 110B-4, 110C-1 bis 110C-4 und 110D-1 bis 110D-4 beinhalten, beinhalten die optischen Sender-Chips 110A bis 110H von 7 entsprechende Mehrzahlen von optischen Sendern 110A-1 bis 110A-4, 110B-1 bis 110B-4, 110C-1 bis 110C-4, 110D-1 bis 110D-4, 110E-5 bis 110E-8, 110F-5 bis 110F-8, 110G-5 bis 110G-8 und 110H-5 bis 110H-8, zur einfacheren Veranschaulichung wird jedoch keiner der optischen Sender in 7 dargestellt. Gleichermaßen so, wie die optischen Empfänger-Chips 120A bis 120D von 1 entsprechende Mehrzahlen von optischen Empfängern 120A-1 bis 120A-4, 120B-1 bis 120B-4, 120C-1 bis 120C-4 und 120D-1 bis 120D-4 beinhalten, beinhalten die optischen Empfänger-Chips 120A bis 120H von 7 entsprechende Mehrzahlen von optischen Empfängern 120A-1 bis 120A-4, 120B-1 bis 120B-4, 120C-1 bis 120C-4, 120D-1 bis 120D-4, 120E-5 bis 110E-8, 120F-5 bis 120F-8, 120G-5 bis 120G-8 und 120H-5 bis 120H-8, zur einfacheren Veranschaulichung wird jedoch keiner der optischen Empfänger in 7 dargestellt.
  • In dem Beispiel von 1 beinhaltet die Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern 130-1 bis 130-4 einen ersten Ring (z.B. die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4), in dem zwei oder mehr der Zwischenknoten-Wellenleiter als konzentrische Schleifen angeordnet sind, die Mehrzahl von optischen Sendern 110A-1 bis 110D-4 beinhaltet eine erste innere optische Sendergruppe (z.B. die optischen Sender 110A-1 bis 110D-4), bei der zwei oder mehr der optischen Sender innerhalb des ersten Rings angeordnet sind, und die Mehrzahl von optischen Empfängern 120A-1 bis 120D-4 beinhaltet eine erste innere optische Empfängergruppe (z.B. die optischen Empfänger 120A-1 bis 120D-4), bei der zwei oder mehr der optischen Empfänger innerhalb des ersten Rings angeordnet sind. Ähnlich wie in 1 beinhaltet in dem Beispiel von 7 die Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern 130-1 bis 130-8 einen ersten Ring (z.B. die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4), in dem zwei oder mehr der Zwischenknoten-Wellenleiter als konzentrische Schleifen angeordnet sind, die Mehrzahl von optischen Sendern 110A-1 bis 110A-4, 110B-1 bis 110B-4, 110C-1 bis 110C-4, 110D-1 bis 110D-4, 110E-5 bis 110E-8, 110F-5 bis 110F-8, 110G-5 bis 110G-8 und 110H-5 bis 110H-8 beinhaltet eine erste innere optische Sendergruppe (z.B. die optischen Sender 110B-1 bis 110B-4 und 110D-1 bis 110D-4), bei der zwei oder mehr der optischen Sender innerhalb des ersten Rings angeordnet sind, und die Mehrzahl von optischen Empfängern 120A-1 bis 120A-4, 120B-1 bis 120B-4, 120C-1 bis 120C-4, 120D-1 bis 120D-4, 120E-5 bis 110E-8, 120F-5 bis 120F-8, 120G-5 bis 120G-8 und 120H-5 bis 120H-8 beinhaltet eine erste innere optische Empfängergruppe (z.B. die optischen Empfänger 120B-1 bis 120B-4 und 120D-1 bis 120D-4), bei der zwei oder mehr der optischen Empfänger innerhalb des ersten Rings angeordnet sind. Die Mehrzahl von optischen Sendern 110A-1 bis 110A-4, 110B-1 bis 110B-4, 110C-1 bis 110C-4, 110D-1 bis 110D-4, 110E-5 bis 110E-8, 110F-5 bis 110F-8, 110G-5 bis 110G-8 und 110H-5 bis 110H-8 kann des Weiteren eine erste äußere optische Sendergruppe (z.B. die optischen Sender 110A-1 bis 110A-4 und 110C-1 bis 110C-4) beinhalten, bei der zwei oder mehr der optischen Sender außerhalb des ersten Rings angeordnet sind, und die Mehrzahl von optischen Empfängern 120A-1 bis 120A-4, 120B-1 bis 120B-4, 120C-1 bis 120C-4, 120D-1 bis 120D-4, 120E-5 bis 110E-8, 120F-5 bis 120F-8, 120G-5 bis 120G-8 und 120H-5 bis 120H-8 kann des Weiteren eine erste äußere optische Empfängergruppe (z.B. die optischen Empfänger 120A-1 bis 120A-4 und 120C-1 bis 120C-4) beinhalten, bei der zwei oder mehr der optischen Empfänger außerhalb des ersten Rings angeordnet sind.
  • Wie in 7 dargestellt, kann die Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern 130-1 bis 130-8 des Weiteren einen zweiten Ring (z.B. die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-5 bis 130-8) beinhalten, in dem zwei oder mehr der Zwischenknoten-Wellenleiter als konzentrische Schleifen angeordnet sind, die Mehrzahl von optischen Sendern 110A-1 bis 110A-4, 110B-1 bis 110B-4, 110C-1 bis 110C-4, 110D-1 bis 110D-4, 110E-5 bis 110E-8, 110F-5 bis 110F-8, 110G-5 bis 110G-8 und 110H-5 bis 110H-8 beinhaltet eine zweite innere optische Sendergruppe (z.B. 110E-5 bis 110E-8, 110F-5 bis 110F-8 und 110H-5 bis 110H-8), bei der zwei oder mehr der optischen Sender innerhalb des zweiten Rings angeordnet sind, und die Mehrzahl von optischen Empfängern 120A-1 bis 120A-4, 120B-1 bis 120B-4, 120C-1 bis 120C-4, 120D-1 bis 120D-4, 120E-5 bis 120E-8, 120F-5 bis 120F-8, 120G-5 bis 120G-8 und 120H-5 bis 120H-8 beinhaltet eine zweite innere optische Empfängergruppe (z.B. 120E-5 bis 120E-8, 120F-5 bis 120F-8 und 120H-5 bis 120H-8), bei der zwei oder mehr der optischen Empfänger innerhalb des zweiten Rings angeordnet sind. Die Mehrzahl von optischen Sendern 110A-1 bis 110A-4, 110B-1 bis 110B-4, 110C-1 bis 110C-4, 110D-1 bis 110D-4, 110E-5 bis 110E-8, 110F-5 bis 110F-8, 110G-5 bis 110G-8 und 110H-5 bis 110H-8 kann des Weiteren eine zweite äußere optische Sendergruppe (z.B. die optischen Sender 110G-5 bis 110G-8) beinhalten, bei der zwei oder mehr der optischen Sender außerhalb des zweiten Rings angeordnet sind, und die Mehrzahl von optischen Empfängern 120A-1 bis 120A-4, 120B-1 bis 120B-4, 120C-1 bis 120C-4, 120D-1 bis 120D-4, 120E-5 bis 110E-8, 120F-5 bis 120F-8, 120G-5 bis 120G-8 und 120H-5 bis 120H-8 kann des Weiteren eine zweite äußere optische Empfängergruppe (z.B. die optischen Empfänger 120G-5 bis 120G-8) beinhalten, bei der zwei oder mehr der optischen Empfänger außerhalb des zweiten Rings angeordnet sind.
  • Wie oben beschrieben, kann die Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern 130-1 bis 130-8 in mehrere Ringe (z.B. den ersten Ring, der die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 beinhaltet, und den zweiten Ring, der die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-5 bis 130-8 beinhaltet) unterteilt sein, wohingegen die optischen Sender und die optischen Empfänger (und gleichermaßen die optischen Sender-Chips und die optischen Empfänger-Chips) in jedem Ring zugehörige innere und äußere Gruppen unterteilt sein können. Gleichermaßen kann die Mehrzahl von Multiplexern 140A bis 140H eine erste Multiplexer-Gruppe (z.B. die Multiplexer 140A bis 140D), wobei jeder Multiplexer der ersten Multiplexer-Gruppe so gestaltet ist, dass er ein optisches Eingangssignal auf einen Zwischenknoten-Wellenleiter des ersten Rings (z.B. die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4) multiplext, und eine zweite Multiplexer-Gruppe (z.B. die Multiplexer 140E bis 140H) beinhalten, wobei jeder Multiplexer der zweiten Multiplexer-Gruppe so gestaltet ist, dass er ein optisches Eingangssignal auf einen Zwischenknoten-Wellenleiter des zweiten Rings (z.B. die Zwischenknoten-Wellenleiter 130-5 bis 130-8) multiplext. Gleichermaßen kann die Mehrzahl von Spiegeln 160A bis 160H eine erste Spiegelgruppe (z.B. die Spiegel 160A bis 160D), wobei jeder Spiegel der ersten Spiegelgruppe so gestaltet ist, dass er ein optisches Signal, das sich auf einem Zwischenknoten-Wellenleiter des ersten Rings (z.B. den Zwischenknoten-Wellenleitern 130-1 bis 130-4) ausbreitet, teilweise reflektiert, um ein reflektiertes optisches Signal zu erzeugen, und eine zweite Spiegelgruppe (z.B. die Spiegel 160E bis 160H) beinhalten, wobei jeder Spiegel der zweiten Spiegelgruppe so gestaltet ist, dass er ein optisches Signal, das sich auf einem Zwischenknoten-Wellenleiter des zweiten Rings (z.B. den Zwischenknoten-Wellenleitern 130-5 bis 130-8) ausbreitet, teilweise reflektiert, um ein reflektiertes optisches Signal zu erzeugen. Die Filter 180B, 180D, 180E, 180F und 180H und die Signalleitungen 190B-1 bis 190B-4, 190D-1 bis 190D-4, 190E-5 bis 190E-8, 190F-5 bis 190F-8 und 190H-5 bis 190H-8 innerhalb eines Knotens können in ähnlicher Weise in jedem Ring zugehörige Gruppen unterteilt sein.
  • Anstelle der Empfangswellenleiter 170A-1 bis 170A-4, 170C-1 bis 170C-4 und 170G-5 bis 170G-8 beinhaltet die Wellenleiterarchitektur von 7 stattdessen Ausgangswellenleiter 710A-1 bis 710A-4, 710C-1 bis 710C-4 und 710G-5 bis 710G-8, die in dem ersten Ring zugehörige erste Ausgangswellenleiter 710A-1 bis 710A-4 und 710C-1 bis 710C-4 und dem zweiten Ring zugehörige zweite Ausgangswellenleiter 710G-5 bis 710G-8 unterteilt sind. (Aufgrund des begrenzten Platzes werden nur die Ausgangswellenleiter 710C-1 bis 710C-4 in 7 mit Bezugszeichen versehen.) Die ersten Ausgangswellenleiter 710A-1 bis 710A-4 und 710C-1 bis 710C-4 können so auf der Platine ausgebildet sein, dass zumindest einer der ersten Ausgangswellenleiter (z.B. der erste Ausgangswellenleiter 710C-3) zumindest einen der Zwischenknoten-Wellenleiter des ersten Rings (z.B. den Zwischenknoten-Wellenleiter 130-4) überkreuzt, wobei ein Kern eines der überkreuzenden Wellenleiter durch einen Kern oder einen Mantel des anderen verläuft. Jeder erste Ausgangswellenleiter (z.B. 710C-3) kann nach außerhalb des ersten Rings verbunden sein und dazu gestaltet sein, ein durch einen Spiegel der ersten Spiegelgruppe (z.B. den Spiegel 160C) erzeugtes, reflektiertes optisches Signal zu empfangen und das reflektierte optische Signal aus dem ersten Ring nach außen zu senden. In ähnlicher Weise können die zweiten Ausgangswellenleiter 710G-5 bis 710G-8 so auf der Platine ausgebildet sein, dass zumindest einer der zweiten Ausgangswellenleiter (z.B. der zweite Ausgangswellenleiter 710G-7) zumindest einen der Zwischenknoten-Wellenleiter des zweiten Rings (z.B. den Zwischenknoten-Wellenleiter 130-8) überkreuzt, wobei ein Kern eines der überkreuzenden Wellenleiter durch einen Kern oder einen Mantel des anderen verläuft. Jeder zweite Ausgangswellenleiter (z.B. 710G-7) kann nach außerhalb des zweiten Rings verbunden sein und dazu gestaltet sein, ein durch einen Spiegel der zweiten Spiegelgruppe (z.B. den Spiegel 160G) erzeugtes, reflektiertes optisches Signal zu empfangen und das reflektierte optische Signal aus dem zweiten Ring nach außen zu senden.
  • Anstelle der Filter 180A, 180C und 180G beinhaltet die Wellenleiterarchitektur von 7 stattdessen Ausgangsfilter 720A, 720C und 720G, die in dem ersten Ring zugehörige erste Ausgangsfilter 720A und 720C und einen dem zweiten Ring zugehörigen zweiten Ausgangsfilter 720G unterteilt sind. Das erste Ausgangsfilter 720A ist auf der Platine ausgebildet und dazu gestaltet, eine Gewichtung auf ein durch einen Spiegel 160A der Mehrzahl von Spiegeln erzeugtes, reflektiertes optisches Signal anzuwenden, bevor das reflektierte optische Signal durch den ersten Ausgangswellenleiter (z.B. den ersten Ausgangswellenleiter 710A-1, 710A-2, 710A-3 oder 710A-4), der das reflektierte optische Signal empfängt, aus dem ersten Ring nach außen gesendet wird. In ähnlicher Weise ist das erste Ausgangsfilter 720C auf der Platine ausgebildet und dazu gestaltet, eine Gewichtung auf ein durch einen Spiegel 160C der Mehrzahl von Spiegeln erzeugtes, reflektiertes optisches Signal anzuwenden, bevor das reflektierte optische Signal durch den ersten Ausgangswellenleiter (z.B. den ersten Ausgangswellenleiter 710C-1, 710C-2, 710C-3 oder 710C-4), der das reflektierte optische Signal empfängt, aus dem ersten Ring nach außen gesendet wird. Entsprechend ist das zweite Ausgangsfilter 720G auf der Platine ausgebildet und dazu gestaltet, eine Gewichtung auf ein durch einen Spiegel 160G der Mehrzahl von Spiegeln erzeugtes, reflektiertes optisches Signal anzuwenden, bevor das reflektierte optische Signal durch den ersten Ausgangswellenleiter (z.B. den ersten Ausgangswellenleiter 710G-5, 710G-6, 710G-7 oder 710G-8), der das reflektierte optische Signal empfängt, aus dem zweiten Ring nach außen gesendet wird.
  • Jeder der optischen Empfänger der ersten äußeren optischen Empfängergruppe (z.B. die optischen Empfänger 120A-1 bis 120A-4 und 120C-1 bis 120C-4) kann mit einem ersten Ausgangswellenleiter der Mehrzahl von ersten Ausgangswellenleitern (z.B. 710A-1 bis 710A-4 und 710C-1 bis 710C-4) optisch verbunden sein und dazu gestaltet sein, das durch den ersten Ausgangswellenleiter gesendete, reflektierte optische Signal zu empfangen. In ähnlicher Weise kann jeder der optischen Empfänger der zweiten äußeren optischen Empfängergruppe (z.B. die optischen Empfänger 120G-5 bis 120G-8) mit einem zweiten Ausgangswellenleiter der Mehrzahl von zweiten Ausgangswellenleitern (z.B. den zweiten Ausgangswellenleitern 710G-5 bis 710G-8) optisch verbunden sein und dazu gestaltet sein, das durch den zweiten Ausgangswellenleiter gesendete, reflektierte optische Signal zu empfangen. Das heißt, jeder zweite Ausgangswellenleiter (z.B. die zweiten Ausgangswellenleiter 710G-5, 710G-6, 710G-7 oder 710G-8) kann mit einem optischen Empfänger der zweiten äußeren optischen Empfängergruppe (z.B. den optischen Empfängern 120G-5, 120G-6, 120G-7 oder 120G-8) optisch verbunden sein und dazu gestaltet sein, ein durch einen Spiegel der zweiten Spiegelgruppe (z.B. den Spiegel 160G) erzeugtes, reflektiertes optisches Signal zu empfangen und das reflektierte optische Signal an den optischen Empfänger zu senden. Bei einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere optische Empfänger der ersten äußeren optischen Empfängergruppe (z.B. die optischen Empfänger 120A-1 bis 120A-4 und 120C-1 bis 120C-4) oder der zweiten äußeren optischen Empfängergruppe (z.B. die optischen Empfänger 120G-5 bis 120G-8) auf diese Weise als Ausgang eines neuronalen Netzes dienen, das die photonische neuronale Komponente 100 beinhaltet. Beispielsweise kann in einem Fall, in dem die in 7 dargestellte Wellenleiterarchitektur eine photonische neuronale Komponente 100 darstellt, bei der es sich um ein vollständiges neuronales Netz handelt, der optische Empfänger-Chip 120C als Ausgang des neuronalen Netzes dienen.
  • Anstelle der Sendewellenleiter 150A-1 bis 150A-4, 150C-1 bis 150C-4 und 150G-5 bis 150G-8 beinhaltet die Wellenleiterarchitektur von 7 stattdessen Eingangswellenleiter 730A-1 bis 730A-4, 730C-1 bis 730C-4 und 730G-5 bis 730G-8, die in dem ersten Ring zugehörige erste Eingangswellenleiter 730A-1 bis 730A-4 und 730C-1 bis 730C-4 und dem zweiten Ring zugehörige zweite Eingangswellenleiter 730G-5 bis 730G-8 unterteilt sind. (Aufgrund des begrenzten Platzes werden nur die Eingangswellenleiter 730C-1 bis 730C-4 in 7 mit Bezugszeichen versehen.) Die ersten Eingangswellenleiter 730A-1 bis 730A-4 und 730C-1 bis 730C-4 können so auf der Platine ausgebildet sein, dass zumindest einer der ersten Eingangswellenleiter (z.B. der erste Eingangswellenleiter 730C-3) zumindest einen der Zwischenknoten-Wellenleiter des ersten Rings (z.B. den Zwischenknoten-Wellenleiter 130-4) überkreuzt, wobei ein Kern eines der überkreuzenden Wellenleiter durch einen Kern oder einen Mantel des anderen verläuft. Jeder erste Eingangswellenleiter (z.B. 730C-3) kann nach außerhalb des ersten Rings verbunden sein und dazu gestaltet sein, ein optisches Signal von außerhalb des ersten Rings zu empfangen und das empfangene optische Signal über einen Multiplexer der ersten Multiplexer-Gruppe (z.B. den Multiplexer 140C) an einen Zwischenknoten-Wellenleiter des ersten Rings (z.B. 130-3) zu senden. In ähnlicher Weise können die zweiten Eingangswellenleiter 730G-5 bis 730G-8 so auf der Platine ausgebildet sein, dass zumindest einer der zweiten Eingangswellenleiter (z.B. der zweite Eingangswellenleiter 730G-7) zumindest einen der Zwischenknoten-Wellenleiter des zweiten Rings (z.B. den Zwischenknoten-Wellenleiter 130-8) überkreuzt, wobei ein Kern eines der überkreuzenden Wellenleiter durch einen Kern oder einen Mantel des anderen verläuft. Jeder zweite Eingangswellenleiter (z.B. 730G-7) kann nach außerhalb des zweiten Rings verbunden sein und dazu gestaltet sein, ein optisches Signal von außerhalb des zweiten Rings zu empfangen und das empfangene optische Signal über einen Multiplexer der zweiten Multiplexer-Gruppe (z.B. den Multiplexer 140G) an einen Zwischenknoten-Wellenleiter des zweiten Rings (z.B. 130-7) zu senden.
  • Jeder der optischen Sender der ersten äußeren optischen Sendergruppe (z.B. die optischen Sender 110A-1 bis 110A-4 und 110C-1 bis 110C-4) kann mit einem ersten Eingangswellenleiter der Mehrzahl von ersten Eingangswellenleitern (z.B. 730A-1 bis 730A-4 und 730C-1 bis 730C-4) optisch verbunden sein und dazu gestaltet sein, ein durch den ersten Eingangswellenleiter zu sendendes optisches Signal zu emittieren. In ähnlicher Weise kann jeder der optischen Sender der zweiten äußeren optischen Sendergruppe (z.B. die optischen Sender 110G-5 bis 110G-8) mit einem zweiten Eingangswellenleiter der Mehrzahl von zweiten Eingangswellenleitern (z.B. den zweiten Eingangswellenleitern 730G-5 bis 730G-8) optisch verbunden sein und dazu gestaltet sein, ein durch den ersten Eingangswellenleiter zu sendendes optisches Signal zu emittieren. Das heißt, jeder zweite Eingangswellenleiter (z.B. der zweite Eingangswellenleiter 730G-5, 730G-6, 730G-7 oder 730G-8) kann mit einem optischen Sender der zweiten äußeren optischen Sendergruppe (z.B. dem optischen Sender 110G-5, 110G-6, 110G-7 oder 110G-8) optisch verbunden sein und dazu gestaltet sein, ein von dem optischen Sender emittiertes optisches Signal zu empfangen und das empfangene optische Signal über einen Multiplexer der zweiten Multiplexer-Gruppe (z.B. den Multiplexer 140G) an einen Zwischenknoten-Wellenleiter des zweiten Rings (z.B. den Zwischenknoten-Wellenleiter 130-5, 130-6, 130-7 oder 130-8) zu senden. Bei einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere optische Sender der ersten äußeren optischen Sendergruppe (z.B. die optischen Sender 110A-1 bis 110A-4 und 110C-1 bis 110C-4) oder der zweiten äußeren optischen Sendergruppe (z.B. die optischen Sender 110G-5 bis 110G-8) auf diese Weise als Eingang eines neuronalen Netzes dienen, das die photonische neuronale Komponente 100 beinhaltet. Beispielsweise kann in einem Fall, in dem die in 7 dargestellte Wellenleiterarchitektur eine photonische neuronale Komponente 100 darstellt, bei der es sich um ein vollständiges neuronales Netz handelt, der optische Sender-Chip 110C als Eingang des neuronalen Netzes dienen.
  • Anstelle der Signalleitungen 190A-1 bis 190A-4, 190C-1 bis 190C-4 und 190G-5 bis 190G-8 innerhalb eines Knotens beinhaltet die Wellenleiterarchitektur von 7 stattdessen Zwischenring-Signalleitungen 740AG-1 bis 740AG-4 und 740GA-5 bis 740GA-8 innerhalb eines Knotens, wobei Signalleitungen, die mit dem Sender-Chip 110C und dem Empfänger-Chip 120C verbunden sind, in diesem Beispiel vollständig weggelassen worden sind, um ein Beispiel für Eingänge und Ausgänge eines neuronalen Netzes bereitzustellen, wie oben beschrieben. (Aufgrund des begrenzten Platzes werden nur die Zwischenring-Signalleitungen 740AG-1 bis 740AG-4 innerhalb eines Knotens in 7 mit Bezugszeichen versehen. Es ist zu beachten, dass sich durch willkürliche Übereinkunft die Reihenfolge der Buchstabensuffixe AG oder GA auf die Richtung von dem Empfänger-Chip zu dem Sender-Chip bezieht, wohingegen sich die Zahlensuffixe -1 bis -4 oder -5 bis -8 auf die entsprechenden Zwischenknoten-Wellenleiter 130-1 bis 130-4 oder 130-5 bis 130-8 des Rings des Empfänger-Chips beziehen. Jede Zwischenring-Signalleitung innerhalb eines Knotens (z.B. die Zwischenring-Signalleitung 740AG-1 innerhalb eines Knotens) kann mit einem optischen Empfänger der ersten äußeren optischen Empfängergruppe (z.B. dem optischen Empfänger 120A) und einem optischen Sender der zweiten äußeren optischen Sendergruppe (z.B. dem Sender 110G) verbunden sein und dazu gestaltet sein, ein elektrisches Signal zu empfangen, das eine Leistung eines durch den optischen Empfänger empfangenen optischen Signals darstellt, und das elektrische Signal an den optischen Sender zu senden, wodurch der optische Empfänger und der optische Sender so verbunden werden, dass ein Eingang und ein Ausgang eines Neurons ausgebildet werden. In ähnlicher Weise kann jede Zwischenring-Signalleitung innerhalb eines Knotens (z.B. die Zwischenring-Signalleitung 740GA-5 innerhalb eines Knotens) mit einem optischen Sender der ersten äußeren optischen Empfängergruppe (z.B. dem optischen Sender 110A) und einem optischen Empfänger der zweiten äußeren optischen Empfängergruppe (z.B. dem optischen Empfänger 120G) verbunden sein und dazu gestaltet sein, ein elektrisches Signal zu empfangen, das eine Leistung eines durch den optischen Empfänger empfangenen optischen Signals darstellt, und das elektrische Signal an den optischen Sender zu senden, wodurch der optische Empfänger und der optische Sender so verbunden werden, dass ein Eingang und ein Ausgang eines Neurons ausgebildet werden. Mit anderen Worten, durch die Verwendung der Zwischenring-Signalleitungen innerhalb eines Knotens können optische Empfänger des ersten Rings mit optischen Sendern des zweiten Rings verbunden sein und können optische Empfänger des zweiten Rings mit optischen Sendern des ersten Rings verbunden sein, wodurch Zwischenringknoten ausgebildet werden, die als Neuronen dienen, die die Ringe verbinden. Auf diese Weise kann eine willkürliche Anzahl von Sendern und Empfängern über eine willkürliche Anzahl von Ringen hinweg montiert werden, um die photonische neuronale Komponente 100 oder ein neuronales Netz, das die photonische neuronale Komponente 100 aufweist, zu skalieren. Zu einem solchen Skalieren kann ein Montieren von Ringen zu einer willkürlichen Anzahl größerer, übergeordneter Ringe oder sonstiger Strukturen zählen, die ihrerseits zu noch größeren, übergeordneten Ringen oder sonstigen Strukturen montiert werden können, und so weiter, um eine Superschleife oder einen Superring auszubilden. Wenn zum Beispiel die beiden in 7 dargestellten Ringe als Ringe erster Ordnung betrachtet werden, kann eine Reihe solcher Ringe erster Ordnung in einer Reihe verbunden werden, die sich so in sich selbst biegt, dass ein größerer Ring zweiter Ordnung ausgebildet wird. Ein solcher Ring zweiter Ordnung kann anschließend auf dieselbe Weise mit anderen Ringen zweiter Ordnung verbunden werden usw. Alle solchen Verbindungen können zum Beispiel durch Eingangs- und Ausgangswellenleiter hergestellt werden, wie in 7 dargestellt.
  • 8 stellt ein beispielhaftes Schaubild einer Wellenleiterarchitektur für eine photonische neuronale Komponente 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. In 8 ist eine erste Mehrzahl von Ringen 810 erster Ordnung in einer Reihe verbunden, die sich so in sich selbst biegt, dass ein größerer Ring zweiter Ordnung ausgebildet wird, der durch den großen Ring dargestellt wird, der die acht Ringe 810 erster Ordnung auf der linken Seite der Figur beinhaltet. Eine zweite Mehrzahl von Ringen 810 erster Ordnung ist in einer ähnlichen Reihe verbunden, die sich so in sich selbst biegt, dass ein größerer Ring zweiter Ordnung ausgebildet wird, der durch den großen Ring dargestellt wird, der die acht Ringe 810 erster Ordnung auf der rechten Seite der Figur beinhaltet. Verbindungen (die als doppelte Linien dargestellt werden) werden zwischen den Ringen 810 erster Ordnung einschließlich einer beispielhaften Verbindung dargestellt, die die beiden Ringe zweiter Ordnung verbindet. Jeder der beiden Ringe 810 erster Ordnung mit zwei Verbindungen kann wie der erste (ganz linke) Ring von 7 aufgebaut sein, wohingegen jeder der Ringe 810 erster Ordnung mit drei Verbindungen ähnlich wie der erste (ganz linke) Ring von 7 aufgebaut sein kann, wobei jedoch ein zusätzliches Paar aus einem Sender-Chip 110 und einem Empfänger-Chip 120, die von der inneren Gruppe (die die Chips 110/120 B und D in 7 enthält) zu der äußeren Gruppe (die die Chips 110/120 A und C in 7 enthält) verschoben worden ist. Jede der Verbindungen in 8 kann folglich Wellenleiter und äußere Sender-/Empfänger-Chip-Paare von jedem der verbundenen Ringe 810 erster Ordnung ähnlich wie die Sender-/Empfänger-Chips 110/120 A und G in 7 enthalten. Die ganz linke vorspringende Verbindung in 8 kann als Eingang/Ausgang für das in 8 dargestellte Paar Ringe zweiter Ordnung dienen (ähnlich wie die Sender-/Empfänger-Chips 110/120C und die verbundenen Wellenleiter in 7). Die Ringe zweiter Ordnung von 8 können zu Ringen dritter oder einer höheren Ordnung verbunden werden, um die photonische neuronale Komponente 100 oder ein neuronales Netz, das die photonische neuronale Komponente 100 aufweist, zu skalieren.
  • In der obigen Beschreibung werden die Ausgangswellenleiter (z.B. 710C-1), die Eingangswellenleiter (z.B. 730-1) und die Zwischenring-Signalleitungen (z.B. 740AG-1) innerhalb eines Knotens mit anderen Namen als die Empfangswellenleiter (z.B. 170D-1), die Sendewellenleiter (z.B. 150D-1) bzw. die Signalleitungen (z.B. 190H-5) innerhalb eines Knotens bezeichnet. Abgesehen von ihrer Beziehung zu dem ersten und dem zweiten Ring können die Ausgangswellenleiter, die Eingangswellenleiter und die Zwischenring-Signalleitungen innerhalb eines Knotens jedoch als Beispiele für Empfangswellenleiter, Sendewellenleiter bzw. Signalleitungen innerhalb eines Knotens betrachtet werden und können denselben jeweiligen Aufbau aufweisen. Daher kann in dieser Offenbarung jede Beschreibung von Empfangswellenleitern, Sendewellenleitern und Signalleitungen innerhalb eines Knotens gleichermaßen für Ausgangswellenleiter, Eingangswellenleiter bzw. Zwischenring-Signalleitungen innerhalb eines Knotens gelten.
  • In 1, 3, 7 und 8 und in dieser Beschreibung wird auf eine photonische neuronale Komponente 100 Bezug genommen. Der Begriff „photonische neuronale Komponente“ und das entsprechende Bezugszeichen „100“ in den Zeichnungen kann sich auf eine beliebige Komponente oder eine Kombination von Komponenten der in dieser Offenbarung beschriebenen Wellenleiterarchitektur beziehen, z.B. auf die Gesamtheit von 1, 3, 7 oder 8, einen Teil von 1, 3, 7 oder 8, eine Variante und/oder eine Erweiterung von 1, 3, 7 oder 8 oder einen beliebigen Teil, eine beliebige Variante und/oder Erweiterung einer beliebigen Ausführungsform der Wellenleiterarchitektur, die in dieser Offenbarung beschrieben und in den Zeichnungen nicht eigens dargestellt worden sind, einschließlich eines gesamten neuronalen Netzes. Eine photonische neuronale Komponente 100 oder ein neuronales Netz kann außerdem ein Mittel zum Einstellen der Leistung der emittierten optischen Signale der optischen Sender und/oder der Empfindlichkeit der optischen Empfänger beinhalten oder mit diesem verbunden sein, um das Gleichgewicht des neuronalen Netzes einzustellen. Einstellungsparameter können in einem Speicher gespeichert werden. Zu solchen Mitteln kann zum Beispiel ein mit der photonischen neuronalen Komponente 100 oder dem neuronalen Netz verbundener Computer zählen. Ein solcher Computer kann des Weiteren eine beliebige praktische Funktionalität der photonischen neuronalen Komponente 100 oder des neuronalen Netzes bereitstellen, z.B. ein Ausführen eines Computerprogramms, das neuronale Datenverarbeitung zumindest teilweise verwendet oder mit neuronaler Datenverarbeitung zusammenarbeitet, Variieren der Gewichtungen der Filter 180 (einschließlich der Ausgangsfilter 720), Variieren der Reflexionskoeffizienten des Spiegels 160, Ausgeben von Anforderungen zum Emittieren von optischen Signalen von den optischen Sendern, z.B. von anfänglichen optischen Signalen mit einer angewiesenen Leistung, Überwachen und Lesen der Leistung von durch die optischen Empfänger empfangenen optischen Signalen und Zurückgeben der Werte an ein Computerprogramm usw. Der Computer kann zum Beispiel überprüfen, dass derselbe Leistungspegel an allen optischen Empfängern gemessen werden kann, wenn angewiesen wird, dass optische Signale mit derselben Leistung durch die optischen Sender zu emittieren sind und dieselben Gewichtungen für alle Filter festgelegt werden, und der Computer kann dementsprechend Einstellungen vornehmen.
  • Wie aus dieser Offenbarung zu ersehen ist, ermöglichen die Merkmale der photonischen neuronalen Komponente 100 und zugehöriger Ausführungsformen, die mit herkömmlichen Techniken verbundenen Nachteile zu vermeiden. Mithilfe der hierin dargestellten und beschriebenen Wellenleiterarchitektur kann eine photonische neuronale Komponente 100 Photonic-Spike-Computing durch optische Signalübertragung mit geringem Verlust über Wellenleiter unterstützen, die so ausgebildet sind, dass sie einander auf einer Platine, z.B. einer gedruckten Leiterplatte, überkreuzen. Die offenbarte Wellenleiterarchitektur kann daher Gestaltungsfreiheit (z.B. Layout, Materialien usw.) ermöglichen und gleichzeitig die Geschwindigkeitsbeschränkung des herkömmlichen elektronischen Ansatzes aufheben.
  • Wenngleich die Ausführungsform(en) der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist (sind), ist der technische Umfang der Erfindung nicht auf die oben beschriebene(n) Ausführungsform(en) beschränkt. Einem Fachmann ist ersichtlich, dass verschiedene Änderungen und Verbesserungen zu der (den) oben beschriebenen Ausführungsform(en) hinzugefügt werden können. Aus dem Umfang der Ansprüche wird darüber hinaus ersichtlich, dass die Ausführungsformen, denen solche Änderungen oder Verbesserungen hinzugefügt werden, im technischen Umfang der Erfindung eingeschlossen sein können.

Claims (25)

  1. Photonische neuronale Komponente, die aufweist: eine Mehrzahl von optischen Sendern; eine Mehrzahl von optischen Empfängern; eine Mehrzahl von auf einer Platine ausgebildeten Zwischenknoten-Wellenleitern; eine Mehrzahl von auf der Platine ausgebildeten Multiplexern, wobei jeder Multiplexer dazu gestaltet ist, ein optisches Eingangssignal auf einen Zwischenknoten-Wellenleiter der Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern zu multiplexen; eine Mehrzahl von Sendewellenleitern, die so auf der Platine ausgebildet ist, dass zumindest ein Sendewellenleiter zumindest einen Zwischenknoten-Wellenleiter überkreuzt, wobei ein Kern eines überkreuzenden Wellenleiters durch einen Kern oder einen Mantel eines weiteren überkreuzenden Wellenleiters verläuft, wobei jeder Sendewellenleiter mit einem optischen Sender der Mehrzahl von optischen Sendern optisch verbunden ist und dazu gestaltet ist, ein von dem optischen Sender emittiertes optisches Signal zu empfangen und das optische Signal über einen Multiplexer der Mehrzahl von Multiplexern an einen Zwischenknoten-Wellenleiter der Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern zu senden; eine Mehrzahl von auf der Platine ausgebildeten Spiegeln, wobei jeder Spiegel dazu gestaltet ist, das optische Signal, das sich auf dem Zwischenknoten-Wellenleiter der Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern ausbreitet, teilweise zu reflektieren, um ein reflektiertes optisches Signal zu erzeugen; eine Mehrzahl von Empfangswellenleitern, die so auf der Platine ausgebildet ist, dass zumindest ein Empfangswellenleiter den zumindest einen Zwischenknoten-Wellenleiter überkreuzt, wobei ein Kern eines überkreuzenden Wellenleiters durch einen Kern oder einen Mantel eines weiteren überkreuzenden Wellenleiters verläuft, wobei jeder Empfangswellenleiter mit einem optischen Empfänger der Mehrzahl von optischen Empfängern optisch verbunden ist und dazu gestaltet ist, das durch einen Spiegel der Mehrzahl von Spiegeln erzeugte, reflektierte optische Signal zu empfangen und das reflektierte optische Signal an den optischen Empfänger zu senden; und eine Mehrzahl von auf der Platine ausgebildeten Filtern, wobei jedes Filter dazu gestaltet ist, eine Gewichtung auf das durch den Spiegel der Mehrzahl von Spiegeln erzeugte, reflektierte optische Signal anzuwenden, bevor das reflektierte optische Signal durch den zumindest einen Empfangswellenleiter, der das reflektierte optische Signal empfängt, an den optischen Empfänger gesendet wird.
  2. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 1, wobei: die Mehrzahl von optischen Sendern einen ersten optischen Sender zum Emittieren eines ersten optischen Signals mit einer ersten Wellenlänge und einen zweiten optischen Sender zum Emittieren eines zweiten optischen Signals mit einer zweiten Wellenlänge beinhaltet, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet; und die Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern einen Zwischenknoten-Wellenleiter zum Ausbreiten des ersten optischen Signals mit der ersten Wellenlänge und des zweiten optischen Signals mit der zweiten Wellenlänge beinhaltet.
  3. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 2, wobei die Mehrzahl von Spiegeln zumindest einen Spiegel beinhaltet, dessen Reflexionskoeffizient von der Wellenlänge abhängt.
  4. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 3, wobei die Mehrzahl von Filtern ein Spektralfilter beinhaltet, dessen angewendete Gewichtung von der Wellenlänge abhängt.
  5. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Multiplexern einen Multiplexer mit einem Eintrittsspiegel und einer y-förmigen Wellenleiterstruktur beinhaltet, die durch einen ersten Eintrittszweig und einen Austrittszweig mit dem Zwischenknoten-Wellenleiter verbunden ist, auf den der Multiplexer das optische Eingangssignal multiplext, wobei der Eintrittsspiegel dazu gestaltet ist, als optisches Eingangssignal ein optisches Signal zu empfangen, das durch einen Sendewellenleiter der Mehrzahl von Sendewellenleitern gesendet wird, und das optische Eingangssignal zu reflektieren, um ein reflektiertes optisches Signal zu erzeugen, das in einen zweiten Eintrittszweig der y-förmigen Wellenleiterstruktur eintritt und sich mit einem optischen Signal verbindet, das sich auf dem Zwischenknoten-Wellenleiter ausbreitet, wo der zweite Eintrittszweig auf den ersten Eintrittszweig der y-förmigen Wellenleiterstruktur trifft.
  6. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Filtern ein auswechselbares Filter beinhaltet, das auswechselbar ist, um die Gewichtung zu ändern.
  7. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Filtern ein variables Filter beinhaltet, dessen Transparenz variierbar ist, um die Gewichtung zu ändern.
  8. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Mehrzahl von auf der Platine montierten Halbleiter-Chips aufweist, wobei jeder der Mehrzahl von Halbleiter-Chips zumindest einen optischen Sender oder zumindest einen optischen Empfänger beinhaltet.
  9. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 8, wobei: die Mehrzahl von Halbleiter-Chips optische Sender-Chips und optische Empfänger-Chips beinhaltet, wobei jeder der optischen Sender-Chips einen oder mehrere der Mehrzahl von optischen Sendern beinhaltet und jeder der optischen Empfänger-Chips einen oder mehrere der Mehrzahl von optischen Empfängern beinhaltet; und die optischen Sender-Chips einen ersten optischen Sender-Chip, dessen einer oder mehrere optische(r) Sender erste optische Signale mit einer ersten Wellenlänge emittiert/emittieren, und einen zweiten optischen Sender-Chip beinhalten, dessen einer oder mehrere optische(r) Sender zweite optische Signale mit einer zweiten Wellenlänge emittiert/emittieren, die sich von der ersten Wellenlänge unterscheidet.
  10. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 9, wobei: jeder der optischen Sender-Chips eine selbe Anzahl von optischen Sendern beinhaltet; jeder der optischen Empfänger-Chips eine selbe Anzahl von optischen Empfängern beinhaltet; eine Anzahl von optischen Sendern, die in jedem der optischen Sender-Chips beinhaltet ist, mit einer Anzahl von optischen Empfängern übereinstimmt, die in jedem der optischen Empfänger-Chips beinhaltet ist; und eine Anzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern, die über die Mehrzahl von Sendewellenleitern mit jedem der optischen Sender-Chips verbunden sind, mit der Anzahl von optischen Sendern, die in jedem der optischen Sender-Chips beinhaltet sind, und der Anzahl von optischen Empfängern, die in jedem der optischen Empfänger-Chips beinhaltet sind, übereinstimmt.
  11. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 8, wobei: jeder der Mehrzahl von Halbleiter-Chips so positioniert ist, dass der zumindest eine in dem Halbleiter-Chip enthaltene optische Sender oder der zumindest eine in dem Halbleiter-Chip enthaltene optische Empfänger der Platine zugewandt ist; die Mehrzahl von Sendewellenleitern über Eintrittsspiegel, die dazu gestaltet sind, Licht aus einer Richtung senkrecht zu der Platine in eine Richtung parallel zu der Platine umzulenken, mit der Mehrzahl von optischen Sendern verbunden ist; und die Mehrzahl von Empfangswellenleitern über Austrittsspiegel, die dazu gestaltet sind, das Licht aus der Richtung parallel zu der Platine in die Richtung senkrecht zu der Platine umzulenken, mit der Mehrzahl von optischen Empfängern verbunden ist.
  12. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 8, die des Weiteren aufweist: eine Mehrzahl von Signalleitungen innerhalb eines Knotens, wobei jede Signalleitung innerhalb eines Knotens mit einem entsprechenden optischen Empfänger der Mehrzahl von optischen Empfängern und einem entsprechenden optischen Sender der Mehrzahl von optischen Sendern verbunden ist und dazu gestaltet ist, ein elektrisches Signal zu empfangen, das eine Leistung eines durch den optischen Empfänger empfangenen optischen Signals darstellt, und das elektrische Signal an den optischen Sender zu senden, wodurch der optische Empfänger und der optische Sender so verbunden werden, dass ein Eingang und ein Ausgang eines Neurons ausgebildet werden.
  13. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 12, wobei für jeden der Mehrzahl von über eine Signalleitung innerhalb eines Knotens mit einem optischen Sender verbundenen optischen Empfängern die Mehrzahl von Spiegeln zumindest einen Spiegel beinhaltet, dessen reflektiertes optisches Signal an den optischen Empfänger gesendet wird und dessen Reflexionskoeffizient bei einer Wellenlänge des durch den optischen Sender emittierten optischen Signals im Wesentlichen null ist.
  14. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern, die Mehrzahl von Sendewellenleitern und die Mehrzahl von Empfangswellenleitern aus einem Polymer in einer einzelnen Schicht der Platine hergestellt sind.
  15. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von optischen Sendern in differentielle Paare unterteilt ist, bei denen ein erster optischer Sender eines differentiellen Paares ein variables optisches Signal emittiert, wohingegen ein zweiter optischen Sender des differentiellen Paares ein optisches Referenzsignal emittiert.
  16. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 15, die des Weiteren eine Mehrzahl von auf der Platine montierten Halbleiter-Chips aufweist, wobei jeder der Mehrzahl von Halbleiter-Chips eines oder mehrere der differentiellen Paare aufweist.
  17. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 16, wobei jeder der Mehrzahl von Halbleiter-Chips zwei oder mehr der differentiellen Paare aufweist.
  18. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 1, wobei: die Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern einen ersten Ring aufweist, in dem zwei oder mehr Zwischenknoten-Wellenleiter als konzentrische Schleifen angeordnet sind; die Mehrzahl von optischen Sendern eine erste innere optische Sendergruppe aufweist, bei der zwei oder mehr optische Sender innerhalb des ersten Rings angeordnet sind; und die Mehrzahl von optischen Empfängern eine erste innere optische Empfängergruppe aufweist, bei der zwei oder mehr optische Empfänger innerhalb des ersten Rings angeordnet sind.
  19. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 18, wobei: die Mehrzahl von Spiegeln eine erste Spiegelgruppe aufweist, wobei jeder Spiegel der ersten Spiegelgruppe dazu gestaltet ist, ein optisches Signal, das sich auf einem Zwischenknoten-Wellenleiter des ersten Rings ausbreitet, teilweise zu reflektieren, um das reflektierte optische Signal zu erzeugen; und die photonische neuronale Komponente des Weiteren eine Mehrzahl von ersten Ausgangswellenleitern aufweist, die so auf der Platine ausgebildet ist, dass zumindest ein erster Ausgangswellenleiter zumindest einen Zwischenknoten-Wellenleiter des ersten Rings überkreuzt, wobei ein Kern eines überkreuzenden Wellenleiters durch einen Kern oder einen Mantel eines weiteren überkreuzenden Wellenleiters verläuft, wobei jeder erste Ausgangswellenleiter nach außerhalb des ersten Rings verbunden ist und dazu gestaltet ist, das durch einen ersten Spiegel der ersten Spiegelgruppe erzeugte, reflektierte optische Signal zu empfangen und das reflektierte optische Signal aus dem ersten Ring nach außen zu senden.
  20. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 19, die des Weiteren ein auf der Platine ausgebildetes erstes Ausgangsfilter aufweist, wobei das erste Ausgangsfilter dazu gestaltet ist, die Gewichtung auf das durch den Spiegel der Mehrzahl von Spiegeln erzeugte, reflektierte optische Signal anzuwenden, bevor das reflektierte optische Signal durch den ersten Ausgangswellenleiter, der das reflektierte optische Signal empfängt, aus dem ersten Ring nach außen gesendet wird.
  21. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 20, wobei die Mehrzahl von optischen Empfängern eine erste äußere optische Empfängergruppe aufweist, bei der zwei oder mehr optische Empfänger außerhalb des ersten Rings angeordnet sind, wobei jeder der optischen Empfänger der ersten äußeren optischen Empfängergruppe mit einem ersten Ausgangswellenleiter der Mehrzahl von ersten Ausgangswellenleitern verbunden ist und dazu gestaltet ist, das durch den ersten Ausgangswellenleiter gesendete, reflektierte optische Signal zu empfangen.
  22. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 21, wobei: die Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern einen zweiten Ring aufweist, in dem zwei oder mehr Zwischenknoten-Wellenleiter als konzentrische Schleifen angeordnet sind; die Mehrzahl von optischen Sendern eine zweite innere optische Sendergruppe, bei der zwei oder mehr optische Sender innerhalb des zweiten Rings angeordnet sind, und eine zweite äußere optische Sendergruppe aufweist, bei der zwei oder mehr optische Sender außerhalb des zweiten Rings angeordnet sind; die Mehrzahl von optischen Empfängern eine zweite optische Empfängergruppe aufweist, bei der zwei oder mehr optische Empfänger innerhalb des zweiten Rings angeordnet sind; die Mehrzahl von Multiplexern eine zweite Multiplexer-Gruppe aufweist, wobei jeder Multiplexer der zweiten Multiplexer-Gruppe dazu gestaltet ist, das optische Eingangssignal auf einen Zwischenknoten-Wellenleiter des zweiten Rings zu multiplexen; die photonische neuronale Komponente des Weiteren eine Mehrzahl von zweiten Eingangswellenleitern aufweist, die so auf der Platine ausgebildet ist, dass zumindest ein zweiter Eingangswellenleiter zumindest einen der Zwischenknoten-Wellenleiter des zweiten Rings überkreuzt, wobei ein Kern eines überkreuzenden Wellenleiters durch einen Kern oder einen Mantel eines weiteren überkreuzenden Wellenleiters verläuft, wobei jeder zweite Eingangswellenleiter mit einem optischen Sender der zweiten äußeren optischen Sendergruppe optisch verbunden ist und dazu gestaltet ist, das von dem optischen Sender emittierte optische Signal zu empfangen und das optische Signal über einen Multiplexer der zweiten Multiplexer-Gruppe an einen Zwischenknoten-Wellenleiter des zweiten Rings zu senden; und die photonische neuronale Komponente des Weiteren eine Mehrzahl von Signalleitungen innerhalb eines Knotens aufweist, wobei die Mehrzahl von Signalleitungen innerhalb eines Knotens eine Mehrzahl von Zwischenring-Signalleitungen innerhalb eines Knotens aufweist, wobei jede Zwischenring-Signalleitung innerhalb eines Knotens mit einem optischen Empfänger der ersten äußeren optischen Empfängergruppe und einem optischen Sender der zweiten äußeren optischen Sendergruppe verbunden ist und dazu gestaltet ist, ein elektrisches Signal zu empfangen, das eine Leistung des durch den optischen Empfänger empfangenen optischen Signals darstellt, und das elektrische Signal an den optischen Sender zu senden, wodurch der optische Empfänger und der optische Sender so verbunden werden, dass ein Eingang und ein Ausgang eines Neurons ausgebildet werden.
  23. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 18, wobei: die Mehrzahl von Multiplexern eine erste Multiplexer-Gruppe aufweist, wobei jeder Multiplexer der ersten Multiplexer-Gruppe dazu gestaltet ist, das optische Eingangssignal auf einen Zwischenknoten-Wellenleiter des ersten Rings zu multiplexen; und die photonische neuronale Komponente des Weiteren eine Mehrzahl von ersten Eingangswellenleitern aufweist, die so auf der Platine ausgebildet ist, dass zumindest ein erster Eingangswellenleiter zumindest einen Zwischenknoten-Wellenleiter des ersten Rings überkreuzt, wobei ein Kern eines überkreuzenden Wellenleiters durch einen Kern oder einen Mantel eines weiteren überkreuzenden Wellenleiters verläuft, wobei jeder erste Eingangswellenleiter nach außerhalb des ersten Rings verbunden ist und dazu gestaltet ist, ein optisches Signal von außerhalb des ersten Rings zu empfangen und das optische Signal über einen Multiplexer der ersten Multiplexer-Gruppe an einen Zwischenknoten-Wellenleiter des ersten Rings zu senden.
  24. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 23, wobei die Mehrzahl von optischen Sendern eine erste äußere optische Sendergruppe aufweist, bei der zwei oder mehr erste optische Sender außerhalb des ersten Rings angeordnet sind, wobei jeder der ersten optischen Sender der ersten äußeren optischen Sendergruppe mit einem ersten Eingangswellenleiter der Mehrzahl von ersten Eingangswellenleitern optisch verbunden ist und dazu gestaltet ist, ein durch den ersten Eingangswellenleiter zu sendendes optisches Signal zu emittieren.
  25. Photonische neuronale Komponente nach Anspruch 24, wobei: die Mehrzahl von Zwischenknoten-Wellenleitern einen zweiten Ring aufweist, in dem zwei oder mehr Zwischenknoten-Wellenleiter als konzentrische Schleifen angeordnet sind; die Mehrzahl von optischen Sendern eine zweite innere optische Sendergruppe aufweist, bei der zwei oder mehr optische Sender innerhalb des zweiten Rings angeordnet sind; die Mehrzahl von optischen Empfängern eine zweite optische Empfängergruppe, bei der zwei oder mehr optische Empfänger innerhalb des zweiten Rings angeordnet sind, und eine zweite äußere optische Empfängergruppe aufweist, bei der zwei oder mehr optische Empfänger außerhalb des zweiten Rings angeordnet sind; die Mehrzahl von Spiegeln eine zweite Spiegelgruppe aufweist, wobei jeder Spiegel der zweiten Spiegelgruppe dazu gestaltet ist, ein optisches Signal, das sich auf einem Zwischenknoten-Wellenleiter des zweiten Rings ausbreitet, teilweise zu reflektieren, um ein reflektiertes optisches Signal des zweiten Rings zu erzeugen; die photonische neuronale Komponente des Weiteren eine Mehrzahl von zweiten Ausgangswellenleitern aufweist, die so auf der Platine ausgebildet ist, dass zumindest ein zweiter Ausgangswellenleiter zumindest einen Zwischenknoten-Wellenleiter des zweiten Rings überkreuzt, wobei ein Kern eines überkreuzenden Wellenleiters durch einen Kern oder einen Mantel eines weiteren überkreuzenden Wellenleiters verläuft, wobei jeder zweite Ausgangswellenleiter mit einem optischen Empfänger der zweiten äußeren optischen Empfängergruppe optisch verbunden ist und dazu gestaltet ist, das durch einen Spiegel der zweiten Spiegelgruppe erzeugte, reflektierte optische Signal des zweiten Rings zu empfangen und das reflektierte optische Signal des zweiten Rings an den optischen Empfänger zu senden; und die Mehrzahl von Signalleitungen innerhalb eines Knotens eine Mehrzahl von Zwischenring-Signalleitungen innerhalb eines Knotens aufweist, wobei jede Zwischenring-Signalleitung innerhalb eines Knotens mit einem optischen Sender der ersten äußeren optischen Empfängergruppe und einem optischen Empfänger der zweiten äußeren optischen Empfängergruppe verbunden ist und dazu gestaltet ist, ein elektrisches Signal zu empfangen, das eine Leistung eines durch den optischen Empfänger empfangenen optischen Signals darstellt, und das elektrische Signal an den optischen Sender zu senden, wodurch der optische Empfänger und der optische Sender so verbunden werden, dass ein Eingang und ein Ausgang eines Neurons ausgebildet werden.
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