TW202036135A - 用於光子計算的系統和方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於光子計算的系統，較佳地包括一輸入模組、一計算模組和/或一控制模組，其中，該計算模組較佳地包括一個或多個濾波器組和/或檢測器。 一種光子濾波器組系統，優選包括兩個波導和光學耦合到一個或多個波導的多個濾光器。一種用於光子計算的方法，較佳地包括控制一計算模組、控制一輸入模組和/或從該計算模組接收輸出。

Description

用於光子計算的系統和方法
本申請主張於2018年11月8日提交的美國臨時申請號62/757,647的優先權，其全部內容藉由引用合併於此。
本發明整體上係關於光子計算領域，並且更具體地係關於一種用於光子計算且係新穎的和有益的系統和方法。
典型的光子濾波器組系統可能遭受高雜訊、由於溫度變化引起的失調(detuning)和/或導致降低濾波器組性能的其他影響。因此，在光子計算領域中，需要創建用於光子計算且是新穎且有益的系統和方法。
以下對於本發明的較佳實施例的描述並非用於限制本發明，而是使本發明技術領域的通常知識者能夠實現和使用本發明。 1.  系統
用於光子計算的系統100較佳地包括一輸入模組110、一計算模組120和/或一控制模組130(例如，如圖1A-1B所示)。在一些實施例中，該系統包括一個或多個元件，例如在美國專利號10,009,135(2018年6月26日公告，標題為“System and Method for Photonic Processing”)所述，其全部內容藉由引用合併於此。然而，該系統可以附加地或替代地包括任何其他合適的元件。
該系統和/或其元件較佳地被實現為一個或多個積體電路。例如，該光子模組(例如，輸入模組、計算模組)和/或其子集合可以是和/或包括一個或多個光子積體電路，和/或該整個系統可以是單個積體電路的一部分。然而，該系統可以附加地或替代地以任何其他合適的(多個)裝置結構來實現。 1.1      輸入模組
該輸入模組110較佳地用於產生一輸入訊號的光子代表。該輸入訊號較佳地代表一輸入向量(例如，對該輸入向量進行編碼)。該輸入模組較佳地包括一個或多個轉換器(transducer)和一多工器，並且可以附加地或替代地包括任何其他合適的元件。 1.1.1   轉換器
該轉換器較佳地用於控制各種波長的光發射。該輸入模組較佳地包括多個轉換器。每個轉換器較佳地控制一不同的發射通道(例如，波長通道，模式通道等)。例如，每個轉換器可以控制1.3微米(micron)和/或1.55微米波長附近(例如，在閾值距離內、基本上居中等)的不同發射通道，例如，在1.26-1.36微米O波段、在1.53-1.565微米C波段和/或1.565-1.625微米L波段等範圍內，其中此處所述的波長較佳地是指光在自由空間中將具有的波長，而不是指光在傳導介質中的波長。該等波長通道較佳為窄頻通道，例如小於閾值頻寬的通道(例如1, 2. 5, 10, 15, 25, 40, 65. 100, 200, 500, 1000 GHz，1-5, 5-20, 20-100, 100-300和/或300-1000 GHz頻率頻寬；0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5, 10, 0.01-0.05, 0.05-0.2, 0.2-1, 1-3或3-10nm的光譜頻寬；等等)，但可以附加地或替代地包括中頻和/或寬頻通道和/或任何其他合適寬度的通道。該等通道可以附加地或替代地與光學模式(例如，橫向空間模式、偏振模式等)和/或任何其他合適的光學特性相關聯。替代地，單個轉換器可以控制多個發射通道，和/或該等轉換器可以發射任何其他合適的波長和/或其他光學特性的光。每個通道較佳地對應於該輸入向量的一不同元素。
該等通道較佳地是不重疊的，更較佳地，該等通道之間(例如，中心到中心的距離、邊緣到邊緣的距離等)具有至少(和/或至多)一閾值間隔(例如，相對於該通道寬度的閾值量，例如5, 10, 25, 50, 100, 110, 125, 150, 175, 200, 250, 300, 400, 500, 0-1, 1-5, 5-15, 15-30, 30-60, 60-100, 100-110, 110-120, 120-150, 150-200, 200-300或300-500％的通道寬度；絕對閾值量，例如0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50，75, 100, 150, 250, 0.1-1, 1-5, 5-15, 15-45, 45-100或100-300 GHz之間；等等)。然而，所有或一些該等通道可以替代地重疊的(例如，不超過和/或不小於一閾值量，如以上關於該閾值間隔的描述)和/或彼此具有任何其他合適的關係。可以基於波長來索引該等通道和/或發射器(例如，從最短到最長波長，諸如通道1與最短波長相關聯，通道2與第二最短波長相關聯，等等)。
該轉換器較佳地將光耦合至一個或多個結構中(例如，在晶片上)，例如多個波導(waveguide)。該轉換器較佳地是一光學轉換器，更較佳地是一電光轉換器(例如，其基於一電輸入來輸出光)，但是可以附加地或替代地是任何其他合適的轉換器。例如，該輸入模組可以包括一個或多個轉換器，例如在美國專利號10,009,135(2018年6月26日公告，標題為“System and Method for Photonic Processing”)所述，其全部內容藉由引用合併於此。
在一實施例中，每個轉換器包括一發射器和一振幅調變器。該輸入模組可以附加地或可替代地包括從一共享發射器(shared emitter)接收光的多個轉換器，例如其中該共享發射器發射與多個光通道(例如，多個波長通道)相對應的光(例如，未調變或基本上未調變的光)，如圖2D的示例所示。該發射器較佳地是一雷射(例如，二極體雷射，較佳地是一積體電路的組件)，例如一分散式反饋(DFB)雷射、一分散式布瑞格反射器(DBR)雷射二極體、一法布里-伯羅(FP)空腔雷射(例如，具有多種模式，進而輸出多種波長的光)，例如一基於量子點和/或量子阱的FP空腔雷射、一外部共振腔雷射(external cavity laser)(例如，可選地包括一個或多個集成調變器)、一鎖模雷射(mode-locked laser)(例如，增益吸收器系統)配置為輸出多種波長的光、一光頻梳(Optical Frequency Comb, OFC)和/或一垂直腔面型雷射(VSCEL)，但可以額外地或替代地包括一LED和/或任何其他合適的光發射器。在一些示例中，發射器(例如，發射單一波長的DFB雷射、發射多個波長的DBR雷射等)可以耦合到(輸出光)一個或多個調變器(例如，馬赫曾德爾調變器)，其中，這些調變器由一個或多個變化的(例如，振盪的)訊號驅動，進而產生多個額外的光通道。在一些示例中，該發射器(例如，發射單一波長的DFB雷射、發射多個波長的DBR雷射等)可以耦合至(輸出光至)一個或多個非線性光學元件(例如，展現出非線性光學效應的氮化矽環)。該轉換器較佳地包括用於每個發射器和/或每個通道的一個振幅調變器。該振幅調變器較佳地是一光學調變器，但是可以附加地或替代地是一發射調變器或任何其他合適的調變器。
該光學調變器較佳地用於調變由一個發射器(或多個發射器)發射的光。該光學調變器較佳地是波長選擇的(例如，基本上僅調變一窄波段，例如基本上僅調變單個通道的光)，但是可替代地可以是寬頻調變器和/或具有任何其他合適的波長需求。該光學調變器可以是電吸收的和/或電折射的。該光學調變器可以可選地嵌入一個或多個其他結構中，例如一諧振器和/或Mach-Zehnder干涉儀(MZI)，其具有增強其調變效能的作用。在示例中，該光學調變器可以包括一個或多個微諧振器(例如，微環諧振器、微碟型諧振器、光子晶體缺陷態調變器)、量子侷限史托克效應(QCSE)調變器、芝諾效應調變器(例，基於石墨烯的調變器，諸如一矽光子石墨烯調變器)、MZI調變器、嵌入在一臨界耦合諧振器中的電吸收調變器(例如QCSE微碟型調變器)、基於光子晶體的調變器和/或任何其他合適的光學調變器。該光學調變器(例如，寬頻調變器)可以可選地嵌入於一個或多個濾器(例如，光譜濾波器)和/或該等一個或多個濾器串聯(沿該光路)，例如，在一電吸收調變器之前(沿該光路)的一第一濾器，而在該電吸收調變器之後的一第二濾器。在一些變化中，該光學調變器包括多個微諧振器(例如，如在2019年4月4日申請的且標題為“Photonic Filter Bank System and Use of Use”的美國專利申請第16/374,991號中所描述的，其全部內容藉由引用合併於此，如圖5B和/或5D等所示)。該等光學調變器可以附加地或替代地包括模式調變器(例如，如Lian-Wee Luo, Noam Ophir, Christine P. Chen, Lucas H. Gabrielli, Carl B. Poitras, Keren Bergmen, and Michal Lipson, "WDM-compatible mode-division multiplexing on a silicon chip," Nat. commun. 5, 3069 (2014)中所述，其全部內容藉由引用合併於此)。在一些變化中，該光學調變器包括使用逆設計耦合在一起的多個濾波器和/或調變器(例如，如Weiliang Jin, Sean Molesky, Zin Lin, Kai-Mei C. Fu, and Alejandro W. Rodriguez, "Inverse design of compact multimode cavity couplers," Opt. Express 26, 26713-26721 (2018)中所述，其全部內容藉由引用合併於此)。然而，該系統可以附加地或替代地包括任何其他合適的光學調變器，或者不包括上述的調變器。
該發射調變器可以用以控制該發射器(或多個發射器)的光發射。例如，該發射調變器可以提供驅動相關發射器的電訊號，或者可以不存在發射調變器，其中該輸入訊號(例如，諸如來自該控制模組的電訊號)直接驅動該發射器。在該轉換器是一雷射裝置的特定示例中，調變的雷射增益介質可以是一主動光半導體，其可以充當時間常數等於載流子復合壽命(carrier recombination lifetime)的亞閾值時間積分器(subthreshold temporal integrator)。該雷射設備本身可以充當一閾值檢測器，當空腔的淨增益超越過單位數時(例如，類似於偏置在閾值以下的無源Q開關雷射)，將儲存在增益介質中的能量迅速傾卸到該光學模式中。然而，該輸入調變器(例如，振幅調變器)可以附加地或替代地包括任何其他合適的發射調變器，和/或任何種類的任何其他合適的調變器。
該等轉換器可以附加地或替代地包括任何其他合適的元件。該輸入模組的該等轉換器可以彼此基本相同(例如，除了發射和/或調變不同的波長之外)，或者可以彼此不同。 1.1.2   多工器
該多工器較佳地用於將多個光訊號(例如，通道)組合到單個輸出路徑(例如，一波導)上，例如用於波長分波多工(WDM)。該多工器較佳地是光學多工器，例如一陣列波導光柵(AWG)，但是可以附加地或替代地是任何其他合適的多工器。
在該輸入模組的第一實施例中，來自多個發射器的訊號(例如，未調變的訊號)由一多工器組合，然後多個調變器(較佳地，波長選擇調變器，諸如微諧振器)改變經多工(multiplexed)的訊號(例如，如圖2A所示)。較佳地，每個波長選擇調變器改變單個訊號，其中其他訊號(例如，波長)基本上不變地通過和/或略過該調變器。附加地或替代地，一些或所有調變器可以實質上影響多於一個的訊號。
在一第二實施例中，來自多個轉換器(例如，光學轉換器，較佳地，為電光轉換器)的調變訊號由一多工器組合。在該實施例的第一示例中，一光調變器被配置在每個發射器和該多工器之間(例如，如圖2B所示)。在第二示例中，一發射調變器控制每個發射器(例如，如圖2C所示)。
該輸入模組較佳地由該控制模組控制(例如，由來自該控制模組的電訊號)控制。該輸入模組較佳地輸出到該計算模組(例如，該WDM光訊號較佳地沿著一波導被發送到該計算模組的輸入)。然而，該輸入模組可以附加地或可替代地以任何其他合適的方式與系統的其他元件連接，和/或該輸入模組可以附加地或可替代地以任何合適的配置包括任何其他合適的元件。 1.2      計算模組
該計算模組120較佳地用以基於來自該輸入和/或控制模組的訊號執行光子計算(例如，矩陣乘法)。例如，該計算模組可以將一輸入向量(例如，由從該輸入模組接收的WDM訊號編碼)乘以一矩陣(例如，與來自該控制模組的該等輸入訊號相關聯)以決定一輸出向量(例如，與由該計算模組產生的輸出訊號相關聯)。該計算模組較佳地包括一個或多個光譜濾波器組122和檢測器123，並且可以可選地包括一個或多個分配器121(例如，如圖3A、3B、7A和/或7B所示)。然而，該計算模組可以附加地或替代地包括任何其他合適的元件。 1.2.1   光譜濾波器組
每個光譜濾波器122組較佳地用以基於一控制訊號來過濾(例如，以基本上與時間無關的方式濾波；例如以低速率進行切換；以高速率進行調變，例如與該輸入光訊號的頻寬相當；其他控制方式；等)一光訊號，其中這樣的濾波可以包括改變該振幅(例如，減小和/或放大)、該相位(例如，延遲和/或減小延遲)和/或任何其他合適的光學特性。每個光譜濾波器組較佳地包括一組濾波器元件，更較佳地，其中每個濾波器元件與該輸入訊號的一個通道(或一組通道)相關聯(例如，濾波器)。該計算模組較佳地包括多個光譜濾波器組(例如，每個對應於該矩陣的一行)。每個光譜濾波器組較佳地接收(例如，在該光譜濾波器組的IN端口處)一光訊號輸入(例如，WDM訊號)和一組控制訊號。較佳地，該光訊號輸入是從該分配器接收的(例如，沿著訊號被分離到的一個或多個路徑)，但是可以附加地或替代地從任何其他合適的元件接收。較佳地，從該控制模組接收該等控制訊號(例如，濾波器權重)，但是可以附加地或替代地從任何其他合適的元件接收該等控制訊號。該等控制訊號較佳地為電訊號(例如電壓訊號)。該等控制訊號較佳地控制該光譜濾波器組的一個或多個濾波器元件的操作。該等控制訊號較佳地包括用於每個濾波器元件的一個權重，但是可以附加地或替代地包括任何其他合適數量的權重。在一些實施例中，濾波器的數量和權重的數量可以等於該光訊號輸入中的通道數量(例如，等於該輸入模組中的發射器的數量)。每個權重和濾波器可以對應於與該光譜濾波器組關聯的矩陣行的一個元素(或對應於此類元素的整數，例如2, 4, 8, 16, 32, 2-8, 9-32等)。該光譜濾波器組較佳地輸出濾波後的光訊號(例如，輸出到一個或多個檢測器)。在某些示例中，該光譜濾波器組具有多個光學輸出(例如THRU端口和DROP端口，OUT1端口和OUT2端口等)，其中的一個或多個輸出到一檢測器(例如，如圖4A–4C所示)。該光譜濾波器組可以可選地包括權重組(和/或其元件)，例如，在2018年6月26日公告的，標題為“System and Method for Photonic Processing”的美國專利號10,009,135中描述的，全部內容藉由引用合併於此(例如，如關於MRR權重組所述，例如採用微環諧振器、微碟狀諧振器、基於光子晶體的諧振器、上述關於輸入調變器的任何調變器和/或任何其他合適的濾波器等。)，例如圖5C中的示例所示。本技術領域之通常知識者將瞭解，每個濾波器元件可以包括單個濾波器裝置、多個濾波器裝置(例如，串聯和/或並聯配置)、多個可調元件和/或能夠過濾該輸入訊號的通道(或一組通道)的任何其他合適的元件。
該等濾波器元件(例如，光譜濾波器組的)較佳地用於對光輸入訊號進行濾波。在光譜濾波器組的第一實施例中，每個通道傳播經過光譜濾波器組的所有濾波器元件(例如，如圖5A-5D所示)。在該實施例中，該等濾光器元件較佳地是波長選擇濾光器(例如，基本上僅對狹波段進行濾波，諸如基本上僅對單個通道的光進行濾波)。該波長選擇濾光器較佳地是微諧振器(例如，更較佳地微碟狀諧振器，但是另外地或可替代地包括微環諧振器，光子晶體缺陷態濾波器等)。
在一些實施例中，每個微諧振器包括多個pn接面(較佳地，大量的pn接面，例如至少8, 16, 32, 64, 128, 256, 512或1024個接面等)，可使該微諧振器接受一個或多個數位控制訊號(例如，不是類比控制訊號)。在一第一示例中，該微諧振器接收一元控制訊號(例如，熱碼)，如Moazeni, Sajjad, Sen Lin, Mark Wade, Luca Alloatti, Rajeev J. Ram, Miloš Popović, and Vladimir Stojanović, "A 40-Gb/s PAM-4 transmitter based on a ring-resonator optical DAC in 45-nm SOI CMOS", IEEE Journal of Solid-State Circuits 52, no. 12 (2017): 3503-3516中的例子所述，其全部內容藉由引用合併於此。在一第二示例中，該微諧振器接受一二進制控制訊號，較佳地，其中該二進制控制訊號的每個位元都配置為根據位元的有效值來控制不同數量的pn接面(例如，其中最低有效位元驅動1個接面，接下來的位元驅動2個接面點，接下來的位元驅動4個接面點，接下來的位元驅動8個接面點，依此類推，較佳地，該最高有效位元驅動大約接面點總數的一半)。然而，該微諧振器可以附加地或替代地接受任何其他合適的控制訊號和/或其他電輸入。該等微諧振器(例如，微盤，微環等)可以具有任何適當的摻雜幾何形狀(例如，具有多個pn接面的任意適當的配置)，例如，交錯的、內部的脊狀和/或之字形摻雜幾何形狀。
該濾光器可以可選地嵌入一個或多個其他結構中，例如一諧振器和/或馬赫曾德爾干涉儀(MZI)，其可以具有增強其調變性能和/或改變調變機制的作用。在某些變化中，該濾光器包括多個微諧振器(例如，如Alexander N. Tait, Allie X. Wu, Thomas Ferreira de Lima, Mitchell A. Nahmias, Bhavin J. Shastri, and Paul R. Prucnal, "Two-pole microring weight banks," Opt. Lett. 43, 2276-2279 (2018)所述，其全部內容藉由引用合併於此，如圖5B中的示例所示)。在一些變型中，該濾光器包括使用逆設計耦合在一起的多個濾波器和/或調變器(例如，如Weiliang Jin, Sean Molesky, Zin Lin, Kai-Mei C. Fu, and Alejandro W. Rodriguez, "Inverse design of compact multimode cavity couplers," Opt. Express 26, 26713-26721 (2018)所述，其全部內容藉由引用合併於此)。在一些變化中，該濾光器包括一個或多個嵌套調變器元件，例如包括耦合到一個或多個外部反饋臂(例如，耦合到一增/刪配置中的微諧振器，例如圖11A-11B和/或12C-12D中的示例所示)的一個或多個微諧振器(例如，微環、微碟型)的調變器元件。例如，該濾光器可以包括一個或多個嵌套調變器元件，例如在“S. Darmawan, Y. M. Landobada, and M. K. Chin, “Nested ring Mach-Zehnder interferometer”, Opt. Express 15, 437–448 (2007)所述，其全部內容藉由引用合併於此。
一光譜濾波器組(例如，權重組)的每個濾波器較佳地具有不同的諧振波長(例如，在固定條件下的諧振波長，例如一般的工作溫度和沒有施加電壓)。較佳地，每個諧振波長對應於(例如，位於、例如基本上居中於)不同的波長通道(例如，如圖10A-10B所示)。
在一第二實施例中，每個通道被劃分到不同的子路徑上以與和該通道相關聯的濾波器元件相互作用。在該實施例的第一示例中，針對每個通道，該調變路徑包括：用於將一子路徑分支到該主路徑之外的分出濾波器(drop filter)、在該子路徑上的濾波器，以及用於將來自子路徑的訊號重新加入該主路徑的加法濾波器(add filter)。在該示例中，該濾波器較佳地是一微諧振器(例如，微環諧振器，微碟狀諧振器等)，但是可以附加地或替代地包括一布拉格濾波器(Bragg filter)(例如，光纖布拉格光柵；布拉格反射器，較佳地具有反射鏡和循環器(circulator)，例如帶一光學環型反射器和一循環器的複合式布拉格反射器(monolithic Bragg reflector)等)和/或任何其他合適的濾波器。在一第二示例中，該調變路徑包括用以創建多個子路徑的解多工器、在每個子路徑上的濾波器以及在調變之後重新組合子路徑的多工器。在該實施例中，每個濾波器可以是一電折射元件、微諧振器和/或任何其他合適的濾波器。然而，光譜濾波器組可以另外地或替代地具有任何其他合適的配置和/或可以定義任何其他合適的光路。
較佳地，每個光譜濾波器組122是一相位權重組122a。該相位權重組較佳地包括兩個(或更多)路徑、多個相位調變器元件和一個耦合器(例如，如圖5A所示)。然而，該相位權重組可以附加地或替代地包括任何其他合適的元件。每個路徑(例如，波導)較佳地從該分配器的輸出路徑接收一輸入，更較佳地在每個路徑上接收相同的WDM輸入訊號。在一些這樣的實施例中，一些或全部的相位權重組從分配器的相應的雙向分離元件接收該等輸入(例如，其中，該雙向分離元件從該分配器的早期階段接收一輸入，並將該元素拆分為兩個輸出，一個用於該相位權重組的每個路徑)。例如，一個或多個相位權重組可以位在一定向耦合器之前(例如，其中該定向耦合器和相位權重組共同定義一個MZI)，例如其中該定向耦合器的輸入的第一部分，其較佳地包括基本上光功率的一半，並作為該第一輸出；該定向耦合器的輸入的第二部分，其較佳地也包括基本上光功率的一半，並作為該第二輸出(例如，其中該第二輸出與該第一輸出基本相同，但可能相對於該第一輸出相移，例如π/2)。
每個相位調變器元件較佳地在該相位權重組的路徑(或兩個路徑)上調變通道(例如，一波長通道)的相位，其中本發明所屬技術領域之通常知識者應當理解到調變一通道的相位時可以包括以下的一項或多項：以基本上與時間無關的方式相移該通道的光；切換該通道的光的相移，例如：以低速率切換；以高速率調變該通道的光的相移，例如與該輸入光訊號的頻寬相當；和/或以任何其他合適的方式控制該通道的光的相位。較佳地，所有調變器元件在同一路徑上調變通道，但是不同的通道可以可替代地在彼此不同的路徑上被調變。該調變器元件較佳地是波長特定的調變器(例如，微諧振器)，但是可以附加地或替代地包括任何其他合適的光學相位調變器。在一些示例中，可以由一對調變器元件(例如，微諧振器，諸如微環諧振器和/或微碟狀諧振器)來調變一個或多個通道，該對中的兩個調變器元件在不同的路徑上調變光，較佳地協作地作為一雙調變器(例如，雙環)輔助的MZI(例如，如圖12A-12D中的示例所示)。該對中的兩個調變器元件可以具有(和/或被調諧至)不同的諧振，例如兩個調變器元件所調變的該波長通道，其於任一側的諧振波長(目標波長)(例如，如Liangjun Lu, Linjie Zhou, Xinwan Li, and Jianping Chen, “Low-power 2×2 silicon electro-optic switches based on double-ring assisted Mach-Zehnder interferometers”, Opt. Lett. 39, 1633–1636 (2014)所述，其全部內容藉由引用合併於此)，較佳地，其中，相較於被該濾波器組調變的其他任一通道，該等諧振波長更接近目標波長(例如，更接近(much closer)，例如相距至少1.5, 2, 3, 5, 10, 20, 50, 1.5-3, 3-10, 10-30和/或30-100等；稍微接近(slightly closer)，例如介於1和1.5之間等等)。然而，該濾波器組可以附加地或替代地包括任何其他合適的調變器元件。
該耦合器較佳地用於耦合該相位權重組的兩條路徑，且兩條路徑經過該等相位調變器元件(例如，在該相位權重組的該等相位調變器元件進行相位調變之後，耦合在兩條路徑上傳播的光)。例如，該耦合器可以是一定向耦合器，例如一包括耦合的波導段的耦合器。兩條路徑上的訊號之間的干涉較佳為基於訊號的相位差(例如，由該等相位調變器施加的相位差)產生振幅訊號。在一些示例中(例如，其中在該相位權重組的每個輸入提供基本上相等的訊號強度，例如對應於一強度值1)，如果兩個波導上的該等訊號到達該耦合器時基本上沒有相位差(例如，如果該相位濾波器未施加相移，則該輸入訊號同相，並且兩個波導的光路長度基本相等；如果該相位濾波器施加的相移基本上抵消了由該輸入相位的偏移和/或該等光路長度的差異等等所引起的相位差)，每個臂上的輸出強度可以彼此基本相等(例如，在平衡的檢測器對的輸出值為0)，比如具有一強度值約為1(例如，忽略傳輸損耗)；藉由改變該相移，可以改變該輸出強度，較佳地從一第一極值(例如，
Figure 02_image001
相移)到一第二極值(例如，
Figure 02_image003
相移)，在該第一極值，基本上所有的輸出強度都出現在帶有一個或多個相位濾波器的波導上，而基本上沒有輸出強度出現在另一波導上。在該第二極值，基本上沒有輸出強度出現在帶有一個或多個相位濾波器的波導上，並且基本上全部都出現在另一個波導上。
該計算模組可以附加地或替代地包括一個或多個振幅權重組和/或任何其他合適的光譜濾波器組。該振幅權重組可以包括權重組(和/或其元件)，比如在2018年6月26日發布的，標題為“System and Method for Photonic Processing”的美國專利號10,009,135中所描述的，其全部內容藉由引用合併於此(例如，如關於MRR權重組所述；類似於該MRR權重組，但具有除微環以外的調變器，比如上述關於該輸入模組振幅調變器的任何調變器；等)，如圖5C的示例所示。
然而，該系統可以附加地或替代地包括任何其他合適的濾光器。儘管在本文中被稱為濾光器，但是本發明所屬技術領域之通常知識者應當理解，該等濾波器可以附加地或替代地包括光學開關、光學調變器和/或任何其他合適的元件。 1.2.2   檢測器
每個檢測器123較佳地具有轉換一光訊號(例如，轉換成一電訊號)的功能。該計算模組較佳地包括與每個光譜濾波器組相關聯的一個檢測器(例如，求和檢測器)。然而，該計算模組可替代地組合來自多個光譜濾波器組的訊號，其中，組合後的訊號被輸入到單個檢測器。該等檢測器較佳地包括一個或多個光偵測器(例如，光電二極體)，但是可以附加地或替代地包括任何其他合適的檢測器。在一第一實施例中，每個檢測器包括一對光電二極體(例如，平衡光偵測器)，比如在該光譜濾波器組的THRU和DROP端口上各一個(例如，如圖5C所示)。在一第二示例中，該檢測器是單個光電二極體(例如，在THRU或DROP端口上)。然而，該檢測器可以附加地或替代地包括光電二極體和/或其他檢測器的任何其他合適的配置。每個檢測器輸出和/或其衍生物，例如檢測器輸出的組合(例如，多個檢測器輸出的和或差)，較佳地被傳遞到該控制模組(例如，為一電訊號)。然而，一個或多個檢測器輸出可以附加地或可替代地用於驅動一個或多個轉換器(例如，相同輸入模組的轉換器，另一輸入模組的轉換器等)。例如，該檢測器輸出可以用於驅動轉換器，諸如在2018年6月26日公告，標題為“System and Method for Photonic Processing”的美國專利號10,009,135中所描述的，其全部內容藉由引用合併於此。 1.2.3   分配器
該分配器較佳地用於分裂一訊號(例如，從該輸入模組接收的訊號)，並沿著多個路徑(例如，多個波導)傳播分裂的訊號。訊號被分裂到的路徑的數量較佳地基於該計算模組中的光譜濾波器組的數量(例如，每個權重組一個路徑、每個權重組兩個路徑、每個權重組三個路徑等等)。例如，對於每個相位權重組，該訊號可以被分到兩條路徑上，對於每個振幅權重組，該訊號可以被分到一條路徑上。
該分裂較佳地是與波長無關的；或者，可以使用不同的波長選擇元件來獨立地分裂每個通道(或多個通道的集合，比如相鄰的多個通道)。較佳地，該訊號在所有路徑和/或光譜濾波器組之間被均等地(或基本上均等地)分裂，但是可替換地可以用任何其他合適的強度分佈來分裂。該分配器可以包括一個或多個分配器元件，例如雙向分配器(two-way splitter)、星形耦合器(star coupler)、多模干擾(MMI)耦合器、逆設計耦合器(inverse design coupler)和/或任何其他合適的元件。在一個示例中，該分配器是樹狀分配器，其包括樹狀配置的多個分配器元件(例如，包括配置成二元樹的多個雙向分配器)。在一些變化中，該樹狀分配器可以包括一種或多種上述類型的元件。例如，多個1×k 耦合器(即，將單個輸入分成k 個路徑的耦合器)可以在串接的多層中組合以提供N 個輸出。
在一第一實施例中，來自該輸入模組的訊號被直接分裂並且傳播到所有的光譜濾波器組(例如，如圖3B所示)。
在一第二實施例中，多個分配器與多個光譜濾波器組彼此穿插(和/或彼此集成)。在此實施例中，該等分配器元件和濾波器組可以被配置為一樹狀結構(例如，如圖6A所示的二元樹結構；如上所述的星形耦合器的樹等)。在特定示例中，該等光譜濾波器組與一組MZI(例如，一光譜濾波器組位於每個MZI的一條路徑上)集成在一起，其中任何已配置的MZI的THRU端口與一第一下游MZI的IN端口連接，且已配置的MZI的DROP端口與一第二下游MZI的IN端口連接(例如，如圖6B所示)。
然而，該系統可以附加地或替代地以任何合適的配置來包括任何其他合適的分配器，或者可以不包括任何分配器(例如，其中計算模組包括單個光譜濾波器組和對光輸入訊號進行濾波的檢測器)。 1.2.4   替代實施例
在替代實施例中，該計算模組被配置為對尺寸大於光通道的數量(例如，轉換器數量)的矩陣執行矩陣運算(例如，矩陣乘法，比如向量-矩陣乘法)。例如，這樣的實施例可以包括將該輸入訊號擴展為K 個複數光流(optical stream)(例如，以多個輸入波導的形式)，每個光流具有L 個通道(例如，波長)，以得到長度為K ∙L 的總輸入向量，同時仍然允許廣泛使用線性光學組件來實現實數矩陣。例如，這樣的實施例可以藉由使用8個波導和每個波導的8個波長來實現64×64矩陣運算。在這些實施例中，該輸入模組110可以可選地包括多個波導(例如，K 個波導)，較佳地包括基本相同的WDM訊號，和/或該計算模組120可以包括將來自該輸入模組的光訊號耦合到多個波導中的分配器。
在一些這樣的實施例中，可以執行多個矩陣運算(例如，使用尺寸小於所需矩陣的矩陣，諸如尺寸受限於波長數量的矩陣)，從而產生與所需的矩陣運算等效的結果。在這樣的實施例中，對於L 個光學特性通道(例如，波長)，使用
Figure 02_image005
×
Figure 02_image007
矩陣M (例如，其中
Figure 02_image005
mod
Figure 02_image009
=0)來實現一矩陣運算(例如，矩陣-向量乘法
Figure 02_image011
)，
Figure 02_image013
表示
Figure 02_image015
，該
Figure 02_image017
個輸入流較佳為映射到
Figure 02_image005
個輸出波導，對應於
Figure 02_image005
×
Figure 02_image017
個矩陣
Figure 02_image019
。基於期望的
Figure 02_image005
×
Figure 02_image017
矩陣，該方法可以包括計算(例如，使用奇異值分解，較佳地，使用約化的SVD，例如瘦SVD)兩個么正矩陣(unitary matrices)
Figure 02_image021
和
Figure 02_image023
，以及一對角矩陣
Figure 02_image025
，其中
Figure 02_image027
，其中
Figure 02_image029
是
Figure 02_image031
的共軛轉置。例如(比如，使用瘦SVD)，
Figure 02_image033
可以是
Figure 02_image005
×
Figure 02_image017
么正矩陣，
Figure 02_image025
可以是
Figure 02_image017
×
Figure 02_image017
對角矩陣，而
Figure 02_image031
可以是
Figure 02_image017
×
Figure 02_image017
么正矩陣。在一個示例中，一系列光學元件用來首先計算
Figure 02_image035
，然後計算
Figure 02_image037
，最後計算出期望結果，
Figure 02_image039
，其中
Figure 02_image041
是藉由將乘以U 所得的
Figure 02_image005
條獨立的多通道(例如WDM)路徑中的每條路徑輸出到不同的檢測器(例如，光電檢測器)來計算的，每個檢測器用以將該輸出的L 個通道求和成單個值，其對應於
Figure 02_image041
的一元素。該么正矩陣可以，例如，以多種分解技術中的一種或多種來光學地實現(例如，如William R. Clements, Peter C. Humphreys, Benjamin J. Metcalf, W. Steven Kolthammer, and Ian A. Walmsley, "Optimal design for universal multiport interferometers," Optica 3, 1460-1465 (2016)所述，其全部內容藉由引用結合在此；與Clements等人的描述類似，但在光學上實現了
Figure 02_image005
×
Figure 02_image017
么正矩陣，其中K>
Figure 02_image005
，藉由實現Clements等人所述的
Figure 02_image005
×
Figure 02_image005
么正矩陣，並向
Figure 02_image005
個輸入波導中的
Figure 02_image017
個提供適當的輸入訊號，而對其餘
Figure 02_image005
-
Figure 02_image017
個輸入波導不提供輸入訊號和/或不包括任何基本不承載光功率的波導)。該對角矩陣較佳地在每個波導上使用調變器來實現，該調變器可以是任何形式的(例如，如以上關於系統所描述的，例如關於該等光譜濾波器組和/或該計算模組的任何其他合適的元件)。在一些變化中，使用一個或多個MZI 124來實現一個或多個矩陣(例如，么正矩陣)，較佳地MZI包括一個或多個相位權重組(例如，在該干涉儀的內部和/或外部)，比如雙輸入MZI 124a(例如，如圖8A所示)和/或單輸入MZI 124b(例如，如圖8B所示)。
在一個示例中(例如，如圖8C所示)，其中計算模組120包括4個波長和2個輸入波導，一8×8矩陣被劃分為8×2么正矩陣(U )、一對角2×2矩陣(Σ)和么正2×2矩陣(V )。在該示例中，該計算模組包括多個MZI，例如其中每個相位權重組包括一MZI，該MZI包括在該干涉儀內部和外部的相位權重組。對於每個波長，該組件可以為每個波長實施2×2么正矩陣運算(例如，對於屬於SU(2)李群的矩陣)，較佳地，獨立且同時(或基本同時)執行，但此外或另選地，在不同的時間和/或具有任何適當的相互依存關係時執行。本發明所屬技術領域之通常知識者應當理解，該配置可以擴展到任何其他合適數量的波長和/或輸入波導。
然而，該計算模組可以附加地或替代地以任何合適的配置來包括任何其他合適的元件。 1.3      控制模組
該控制模組130較佳地用以控制和/或接收來自該系統的其他元件的輸出。該控制模組較佳地控制(例如，向其提供電控制訊號)該輸入模組的轉換器和/或該計算模組的光譜濾波器組(例如，調變器)。該控制模組較佳地從該等檢測器接收輸出(例如，電訊號)。該轉換器、濾波器和/或其他元件的控制可以根據接收到的輸出而可選擇地進行更改。
該控制模組可以包括，例如，一個或多個處理器，較佳地，電子處理器(例如，CPU、GPU、微處理器、FPGA、ASIC等)、儲存元件(例如，RAM、快閃記憶體、磁碟驅動器等)、查找表、串聯器、解串器、數位類比轉換器(例如，可用於為該轉換器、該濾波器和/或其他受控元件產生控制訊號)、類比數位轉換器(例如，可以對該檢測器輸出訊號進行編碼)和/或任何其他合適的元件。
然而，該系統可以附加地或替代地以任何合適的配置包括任何其他合適的元件。 1.4      材料平台
該系統可以包括(例如，由其製成)任何合適的材料。該系統(和/或其元件，例如一些或所有的光子元件)可以在一個或多個材料平台上實現，例如光子積體電路平台(例如，矽光子平台，零變化光子平台，其他光子平台等)、微電子平台和/或任何其他合適的材料平台。在一些示例中，該系統是通過共整合(co-integration)(例如，在電子和光子之間)製造的，例如，其中該系統的不同元件可以使用一種或多種封裝技術彼此整合，例如覆晶黏著、晶圓接合(例如，直接接合介面)、氧化物通孔(through-oxide via, TOV)、矽通孔(through-silicon via, TSV)、金屬接合(metal bonding)和/或任何其他合適的接合介面。
在一個實施例中，該系統可以包括在一矽光子平台中實現的多個元件(例如，由一個或多個代工廠實現，例如，APSUNY、IME、IMEC、GlobalFoundries、TSMC等)，其可以包括矽、矽摻雜、氧化矽、無源矽組件(例如，波導、濾波器等)和/或基於鍺的元件(例如，檢測器、濾波器和/或調變器，例如EAM調變器等)。附加地或替代地，該系統可以包括在一個或多個III-V平台(例如，JePPiX consortium SMART Photonics和/或HHI平台、Infinera、AIM Photonics等)中實現的多個元件，其可以包括諸如銦化合物、磷化物化合物、鎵化合物、砷化物和/或任何其他合適的III-V半導體(例如，具有InGaAsP特性的InP基板)的材料。在該實施例的示例中，在III-V半導體平台中製造該發射器(例如雷射陣列)，在III-V半導體平台或該矽光子平台中製造該多工器，並且基本上在該矽光子平台製造該系統的所有其他光子元件(例如，除了與該等發射器相關聯的一些或全部波導)。在一些示例中，這些元件可以與在一電子平台中實現的元件共整合(例如，如以上關於封裝技術所描述的那樣整合)。在一些這樣的示例中，一個或多個電子元件(例如，電晶體)於光子平台中製造，而不是電子平台(例如，從而使得和/或便於使用超過該電子平台的電壓極限的高壓元件)。例如，於一系統中，其中來自7奈米電子平台(例如，具有0.7 V限制)的元件與來自一矽光子平台的元件耦合，該矽光子平台元件可以包括電晶體(例如，配置為放大從該電子平台元件接收到的訊號)，其運作電壓超過該電子平台限制。
該系統可以附加地或替代地包括在一零變化矽光子學平台(例如，通常用於微電子的平台)中實現的元件，較佳地，其中該系統的一些或全部光子和電子元件被單體地實現(例如，整合於同一積體電路)。附加地或替代地，該系統可以包括在共整合的電子和光子平台中實現的元件，例如包括對標準微電子製造過程的前段工藝(front-end-of-line, FEOL)修改和/或對積體光子元件的製造(例如，與電子設備的低電容鏈路)的後段工藝(back-end-of-line, BEOL)修改。
該系統可以附加地或替代地包括在一混合矽/III-V光子平台中實現的元件，例如其中矽光子元件和III-V光子元件(例如，光放大器、雷射源等)被單體地實現(例如，並置在同一積體電路中)。例如，一III-V半導體基底(例如，InP)可以支撐該矽光子元件和III-V光子元件兩者。
該系統可以附加地或替代地包括在一氮化矽光子平台(例如，JePPiX consortium TriPLeX平台)中實現的元件，諸如包括由氧化矽內的氮化矽定義的波導。
該系統可以附加地或替代地包括在一矽-石墨烯光子學平台中實現的元件，例如其中一個或多個光子元件(例如，有源元件，如檢測器、濾波器、調變器等)是使用石墨烯、其他石墨材料和/或其他2-D材料實現。
該系統可以另外地或替代地包括在鈮酸鋰光子學平台中實現的元件，其可以包括一個或多個使用鈮酸鋰實現的光子元件，例如薄膜鈮酸鋰。
在特定示例中，該系統包括如在2018年6月26日公告，標題為“ System and Method for Photonic Processing”的美國專利號10,009,135中所述且製造的元件，該專利全部內容藉由引用合併於此(例如，如關於在絕緣體上矽晶圓的製造的描述)。
本發明所屬技術領域之通常知識者應當理解，本文中使用術語“波導”描述的元件可以附加地或替代地包括任何其他合適的光路和/或與光路相關聯的元件(包括但不限於自由空間路徑和/或包含自由空間段的路徑)。
然而，該系統可以附加地或替代地在任何其他合適的材料平台中實施，並且可以附加地或替代地包括任何其他合適的材料。 2.  方法
方法200較佳地使用上述系統100來實現，但是可以附加地或替代地使用任何其他合適的系統來實現。該方法較佳地包括：控制該計算模組步驟S210；控制該輸入模組步驟S220；和/或接收來自該計算模組的輸出步驟S230(例如，如圖9所示)。
在一些實施例中，該方法200包括一個或多個元件，例如在2018年6月26日公告，標題為“System and Method for Photonic Processing”的美國專利No.10,009,135中描述的，其全部內容藉由引用合併於此(例如，使用本文描述的系統100來實現美國專利號10,009,135的方法)。但是，該方法可以附加地或替代地包括任何其他合適的元件。
控制該計算模組步驟S210優選包括控制一個或多個光譜濾波器組，更較佳地控制所有光譜濾波器組。舉例來說，步驟S210可包含將多個控制電壓施加到一個或多個濾光器，進而控制該濾光器與該光學訊號的相互作用(例如，定義與輸入向量相乘的矩陣)。
控制該輸入模組步驟S220較佳地包括控制一個或多個轉換器以發射光(例如，對諸如該輸入向量之類的輸入訊號進行編碼的光)。所發射的光較佳地傳播通過該計算模組，進而使期望的計算得以執行(例如，將該輸入向量乘以該矩陣)。在一個示例中，所發射的光與該等光譜濾波器組相互作用，從而被濾波(例如，根據與該矩陣相關聯的光譜濾器權重)，然後由該等檢測器取樣以產生一輸出訊號。
較佳地，從該計算模組接收輸出步驟S230具有對該計算的結果進行取樣的作用。較佳地，從該等檢測器接收該等輸出，但是可以附加地或替代地從任何其他合適的元件接收該等輸出。在一第一實施例中，與所接收的輸出相關聯的資料被儲存。例如，可以將一類比電訊號(例如，在該檢測器處產生的訊號、從一個或多個檢測器訊號得出的訊號，如下所述等等)轉換為一數位訊號，還可以將其轉換為衍生訊號(例如，如下所述)，並儲存在該控制模組的儲存元件(例如，RAM)中。產生一衍生訊號可以包括，例如，組合(例如，相加或相減)來自多個檢測器的訊號、將一個或多個函數(例如，非線性函數)應用於該等訊號，和/或任何其他合適的訊號轉換。該衍生訊號可以在該類比領域和/或該數位領域中產生。在第二實施例中，所接收的輸出用於驅動一個或多個轉換器(例如，同一輸入模組的轉換器，另一輸入模組的轉換器等)。例如，所接收的輸出可以用於驅動轉換器，諸如在2018年6月26日公告，標題為“System and Method for Photonic Processing”的美國專利號10,009,135中所描述的，其全部內容藉由引用合併於此(例如，如美國專利號10,009,135的圖2所示)。在一第三實施例中，所產生和/或所衍生的訊號可以被重新調變(例如，在不同的波長上)並且被傳輸到一光子計算元件中(例如，在晶片中的相同部分、晶片中的不同部分、其他晶片等)。然而，該等輸出可以附加地或替代地以任何其他合適的方式被接收和/或使用。
該方法200較佳地包括重複步驟S220(例如，在每次這樣的重複期間，改變由發射的光編碼的訊號)。在重複步驟S220時，該方法較佳地包括基本維持相同的光譜濾波器組控制。然而，該方法可替代地包括在步驟S220的不同重複之間(和/或期間)改變濾波器組控制(例如，編碼一個新矩陣)。該方法較佳地包括在步驟S220的整個重複中繼續執行步驟S230(例如，接收與步驟S220的每個重複相關聯的輸出)。
重複步驟S220可以用於基於許多不同的輸入訊號進行快速計算。 在某些示例中，步驟S220以20 GS/s(例如，每秒200億個不同的輸入訊號), 10 GS/s, 5 GS/s, 2.5 GS/s, 1 GS/s, 0.5-2 GS/s, 2-8 GS/s, 8-32 GS/s和/或任何其他合適的速率重複。在特定示例中，其中該系統包括256個通道(例如256個發射器)，並且每個通道編碼一個4位元訊號(例如4個尾數位元)， 以5GS/s或10 GS/s的速率重複執行可以導致一輸入訊號速率分別超過5 Tbit/s或10 Tbit/s。
在一個示例中，步驟S210和/或步驟S220被執行，如圖7B所示。儘管圖7B描繪了該輸入模組110(例如，轉換器，如發射器、濾波器和/或調變器)和該計算模組120(例如，光譜濾波器組、檢測器等)的各種元件的特定示例，但是本發明所屬技術領域之通常知識者應當理解，可以使用具有這些元件的任何其他合適示例的系統來附加地或替代地執行步驟S210和/或步驟S220(例如，如以上關於系統100所描述的)。
在該方法僅限於以一個權重組
Figure 02_image043
位元的精度執行矩陣運算的實施例中，該方法可以可選地包括藉由使用多個權重組將某些或所有此類運算增強到更高的精度水平，例如
Figure 02_image045
位元的精度用於
Figure 02_image047
權重組(例如，其中
Figure 02_image049
為正整數)。 在一個示例中，其中
Figure 02_image051
，其中
Figure 02_image053
表示精度為Q位元的訊號
Figure 02_image055
，並且
Figure 02_image057
表示
Figure 02_image053
的高精度表示的Q 位元的第
Figure 02_image059
個最高有效位：
Figure 02_image061
其中，
Figure 02_image063
是指精度為
Figure 02_image065
位元的訊號
Figure 02_image055
，並且在所有光通道(例如，波長)上取和。較佳地，使用另外的權重組(和/或在不同的時間使用相同的權重組，例如連續的時間點)來實現
Figure 02_image067
項中的每一項，並且該檢測器從不同的權重組(和/或以該相同權重組執行的不同的計算迭代)輸出，較佳地被數位地求和(例如，通過該控制模組)，但是可以附加地或替代地以任何其他合適的方式被求和(和/或以其他方式組合)。
在替代實施例中，該方法包括對尺寸大於系統(如上文關於計算模組120的替代實施例所描述的)的波長數量(例如，轉換器數量)的矩陣執行矩陣運算(例如，矩陣乘法，如向量-矩陣乘法)，例如，圖8C中的示例所示。較佳地，對於每個波長和/或其他光通道(例如，對於L 通道系統，L 個不同的時間)執行計算這樣的矩陣運算(和/或其任何合適的元件)的過程，更較佳地，其中對於所有L 個光學通道同時(或基本同時)執行該過程(例如，同時提供與每個通道關聯的光輸入並控制與每個通道關聯的濾波器元件)。該結果可以可選地轉換為一系列波長選擇元件(例如相位調變器元件)和/或振幅調變器上的一組控制訊號(例如電壓值)，和/或可以任何其他合適的方式使用(例如，如上面更詳細地描述的，例如關於步驟S230)。
然而，該方法可以附加地或替代地包括以任何適當方式執行的任何其他適當元件。
一替代實施例較佳地，以儲存有計算機可讀指令的計算機可讀媒體，來實現上述方法中的一些或全部。該指令較佳地由與通訊路由系統整合的計算機可執行組件來執行。該通訊路由系統可以包括一通訊系統、一路由系統和計價系統(pricing system)。該計算機可讀媒體可以儲存在任何合適的計算機可讀媒體上，例如RAM、ROM、快閃記憶體、EEPROM、光學設備(CD或DVD)、硬碟驅動器、軟碟驅動器或任何合適的設備。所述計算機可執行組件較佳地是處理器，但是所述指令可以替代地或附加地由任何適當的專用硬體設備執行。
儘管該系統和/或該方法的實施例以為簡潔的方式記載，但是該系統和/或該方法的實施例可以包括各種系統組件和各種方法流程的每種組合和排列，其中本文描述的方法和/或程序的一個或多個實例可藉由本文描述的該系統、元件及/或實體的一個或多個實例被異步地(依序)、同時(例如：並行地)或以任何其他合適的順序執行。
圖示示出了根據優選實施例、示例配置及其變化的系統，方法和計算機程序產品的可能實現的架構、功能和操作。就這一點而言，流程圖或方塊圖中的每個框可以代表一個模組、一個區段、一步驟或部分程式碼，其包括用於實現指定的邏輯功能的一個或多個可執行指令。還應注意，在一些替代實施方式中，方框中指出的功能可以不按圖中指出的順序發生。例如，取決於所有關於的功能，實際上可以基本上同時執行連續示出的兩個框，或者有時可以以相反的順序執行這些框。還應注意，方塊圖和/或流程圖說明的每個方框以及方塊圖和/或流程圖說明中的方框的組合可以由執行指定功能或動作的基於專用硬體的系統來實現，或專用硬體和計算機指令的組合。
如本發明所屬技術領域之通常知識者從先前的詳細描述以及從圖示和申請專利範圍所理解，在不脫離申請專利範圍的所定義之發明的情況下，可以對本發明的優選實施例進行修改和改變。
100:系統 110:輸入模組 120:計算模組 121:分配器 122a:相位權重組 123:檢測器 124a:雙輸入MZI 124b:單輸入MZI 130:控制模組 200:方法 ADD:端口 C1~C6:通道 DROP:端口 f1~f6:濾波器 IN:端口 IN1:端口 IN2:端口 OUT1:端口 OUT2:端口 THRU:端口U:么正矩陣 Σ:對角矩陣V:么正矩陣 S210、S220、S230:步驟
Figure 02_image069
:訊號
圖1A-1B分別是該系統的實施例和該實施例的示例的示意圖。
圖2A-2C分別是該輸入模組的第一、第二和第三實施例的示意圖。
圖3A-3B分別是該計算模組的實施例和該實施例的示例的示意圖。
圖4A-4C分別是一光譜濾波器組的第一、第二和第三變化的示意圖。
圖5A-5B分別是一相位權重組的第一和第二實施例的示意圖。
圖5C-5D分別是一振幅權重組的第一和第二實施例的示意圖。
圖6A-6B分別是該計算模組的一部分的第一替代實施例的示意圖以及該第一替代實施例的示例的示意圖。
圖7A-7B分別是該系統的光子元件的第一和第二示例的示意圖。
圖8A-8B分別是該計算模組的替代實施例的元件的第一示例和第二示例的示意圖。
圖8C是該計算模組的替代實施例的示例的示意圖。
圖9是該方法的實施例的示意圖。
圖10A-10B分別是該系統的第一示例和第二示例的光學通道和濾波器諧振的示意圖。
圖11A-11B分別是具有嵌套調變器元件的相位權重組的第一和第二示例的示意圖。
圖12A-12D是雙調變器輔助相位權重組的不同示例的示意圖。
110:輸入模組
121:分配器
122a:相位權重組
123:檢測器

Claims (20)

  1. 一種用於光學運算的方法，其包括： 於一時間週期的整個期間內，基於多個權重控制一濾波器組，其中包括： 基於該多個權重中的一第一權重，決定一第一控制訊號； 基於該多個權重中的一第二權重，決定一第二控制訊號，其中，該第二權重與該第一權重不相同； 提供該第一控制訊號至該濾波器組的一第一濾光器，其中，該第一濾光器與一第一光學特性相關聯；以及 提供該第二控制訊號至該濾波器組的一第二濾光器，其中，該第二濾光器與一第二光學特性相關聯，該第二光學特性與該第一光學特性不相同； 於該時間週期內，於該濾波器組的第一波導接收一第一光輸入訊號，其中，該第一光輸入訊號包括： 一第一部分，具有該第一光學特性；以及 一第二部分，具有該第二光學特性； 於該時間週期內，基本上於接收該第一光輸入訊號的同時，於該濾波器組的一第二波導接收一第二光輸入訊號，其中該第二光輸入訊號包括： 一第三部分，具有該第一光學特性；以及 一第四部份，具有該第二光學特性；以及 於該時間週期內，響應於接收該第一光輸入訊號以及該第二光輸入訊號： 於該第一濾光器，基於該第一控制訊號，以一第一相移量相移該第一部分； 於該第二濾光器，基於該第二控制訊號，以一第二相移量相移該第二部分，該第二相移量不同於該第一相移量； 相移該第一部分以及該第二部分之後，產生一光輸出訊號，包括耦合該第一光輸入訊號以及該第二光輸入訊號；以及 輸出該光輸出訊號。
  2. 如請求項1所述之方法，其更包括，於一光分配器，於該時間週期內： 接收一組合光輸入訊號； 將該組合光輸入訊號分裂為該第一光輸入訊號以及該第二光輸入訊號； 提供該第一光輸入訊號至該第一波導；以及 提供該第二光輸入訊號至該第二波導。
  3. 如請求項2所述之方法，其中， 該光分配器更將該組合光輸入訊號分裂為一第三光輸入訊號以及一第四光輸入訊號； 該第三光輸入訊號包括一第五部分以及一第六部分，該第五部分具有該第一光學特性，該第六部分具有該第二光學特性；以及 該第四光輸入訊號包括一第七部分以及一第八部分，該第七部分具有該第一光學特性，該第八部分具有該第二光學特性；以及 該方法更包括： 於該時間週期的整個期間內，基於第二多個權重控制一第二濾波器組，其中包括： 基於該第二多個權重中的一第三權重，決定一第三控制訊號，其中該第三權重與該第一權重以及該第二權重不相同； 基於該第二多個權重中的第四權重，決定一第四控制訊號，其中該第四權重與該第一權重、該第二權重以及該第三權重不相同； 提供該第三控制訊號至該第二濾波器組的一第三濾光器，其中該第三濾光器與該第一光學特性相關聯；以及 提供該第四控制訊號至該第二濾波器組的一第四濾光器，其中該第四濾光器與該第二光學特性相關聯； 於該時間週期內，基本上於接收該第一光輸入訊號以及該第二光輸入訊號的同時： 於該第二濾波器組的第三波導，從該光分配器接收該第三光輸入訊號；以及 於該第二濾波器組的第四波導，從該光分配器接收該第四光輸入訊號； 於該時間週期內，響應於接收該第三光輸入訊號以及該第四光輸入訊號，進行： 於該第三濾光器，基於該第三控制訊號，以一第三相移量相移該第五部分，該第三相移量與該第一相移量以及該第二相移量不相同； 於該第四濾光器，基於該第四控制訊號，以一第四相移量相移該第六部分，該第四相移量與該第一相移量、該第二相移量以及該第三相移量不相同； 相移該第五部分以及該第六部分之後，產生一第二光輸出訊號，包括耦合該第三光輸入訊號以及該第四光輸入訊號；以及 輸出該第二光輸出訊號。
  4. 如請求項3所述之方法，其更包括： 於一第一光檢測器，取樣該光輸出訊號的一第一振福；以及 於一第二光檢測器，取樣該第二光輸出訊號的一第二振福。
  5. 如請求項1所述之方法，其中，一第一強度比基本上等於一第二強度比，該第一強度比為一第一部份強度除以一第三部分強度，該第二強度比為一第二部分強度除以一第四部份強度。
  6. 如請求項5所述之方法，其中，該第一光輸入訊號基本上與該第二光輸入訊號相同。
  7. 如請求項1所述之方法，其中， 該第一光輸入訊號更包括一第五部分，其具有一第三光學特性，該第三光學特性與該第一光學特性以及該第二光學特性不相同； 該第二光輸入訊號更包括一第六部分，其具有該第三光學特性； 該濾波器組更包括一第三濾光器，其與該第三光學特性相關聯； 基於該多個權重控制該濾波器組，其中更包括： 基於該多個權重中的一第三權重決定一第三控制訊號；以及 提供該第三控制訊號至該第三濾光器；以及 該方法更包括，於該時間週期內，響應於接收該第一光輸入訊號以及該第二光輸入訊號，且在產生該光輸出訊號前：於該第三濾光器，基於該第三控制訊號，以一第三相移量相移該第五部分。
  8. 如請求項1所述之方法，其中， 該第一光輸入訊號更包括一第五部分，其具有一第三光學特性，該第三光學特性與該第一光學特性以及該第二光學特性不相同； 該第二光輸入訊號更包括一第六部分，其具有該第三光學特性； 該濾波器組更包括一第三濾光器，其與該第三光學特性相關聯； 基於該多個權重控制該濾波器組更包括： 基於該多個權重的第三權重，決定一第三控制訊號；以及 提供該第三控制訊號至該第三濾光器；以及 該方法更包括，於該時間週期內，響應於接收該第一光輸入訊號以及該第二光輸入訊號，且在產生該光輸出訊號之前：於該第三濾光器，基於該第三控制訊號，以一第三相移量相移該第六部分。
  9. 如請求項1所述之方法，更包括： 於該時間週期後的第二時間週期的整個期間內，基於第二多個權重控制該濾波器組，其包括： 基於該第二多個權重的第三權重，決定一第三控制訊號，其中該第三權重與該第一權重以及該第二權重不相同； 基於該第二多個權重的第四權重，決定一第四控制訊號，其中該第四權重與該第一權重、該第二權重以及該第三權重不相同； 提供該第三控制訊號至該第一濾光器；以及 提供該第四控制訊號至該第二濾光器； 於該第二時間週期內，於該輸入波導接收一第三光輸入訊號，其中該第三光輸入包括： 一第五部分，其具有該第一光學特性；以及 一第六部分，其具有該第二光學特性； 於該第二時間週期內，基本上於接收該第三輸入訊號的同時，於該第二波導接收一第四光輸入訊號，其中該第四光輸入訊號包括： 一第七部分，其具有該第一光學特性；以及 一第八部分，其具有該第二光學特性；以及 於該第二時間週期內，響應於接收該第三光輸入訊號以及該第四光輸入訊號，進行： 於該第一濾光器，基於該第三控制訊號，以一第三相移量相移該第五部分，該第三相移量與該第一相移量以及該第二相移量不相同； 於該第二濾光器，基於該第四控制訊號，以一第四相移量相移該第六部分，該第四相移量與該第一相移量、該第二相移量以及該第三相移量不相同； 相移該第五以及該第六部分之後，產生一第二光輸出訊號，其中包括耦合該第三光輸入訊號以及該第四光輸入訊號；以及 輸出該第二光輸出訊號。
  10. 如請求項1所述之方法，其中： 該第一光學特性為一第一光波長； 該第二光學特性為一第二光波長； 該第一濾光器包括一第一波長選擇濾波器；以及 該第二濾光器包括一第二波長選擇濾波器。
  11. 如請求項10所述之方法，其中： 該第一波長選擇濾波器包括一第一微諧振器； 該第二波長選擇濾波器包括一第二微諧振器； 提供該第一控制訊號至該第一濾光器，以改變該第一微諧振器的一第一諧振波長；以及 提供該第二控制訊號至第二第一濾光器，以改變該第二微諧振器的一第二諧振波長。
  12. 如請求項1所述之方法，其中： 該第一部份具有一第一輸入強度
    Figure 03_image071
    ； 該第二部分具有一第二輸入強度
    Figure 03_image073
    ； 該光輸出訊號包括： 一第一輸出部分，具有該第一光學特性，該第一輸出部分具有一第一輸出強度
    Figure 03_image075
    ；以及 一第二輸出部分，具有該第二光學特性，該第二輸出部分具有一第二輸出強度
    Figure 03_image077
    ；以及
    Figure 03_image079
    基本上與
    Figure 03_image081
    相等，其中
    Figure 03_image083
    表示該第一權重，
    Figure 03_image085
    表示該第二權重。
  13. 一種包括一光譜濾波器組的系統，該光譜濾波器組包括： 一第一波導，其包括一第一輸入端以及一第一輸出端； 一第二波導，其包括一第二輸入端以及一第二輸出端； 一第一濾光器，其與一第一光學特性相關聯，且該第一濾光器在該第一輸入端以及該第一輸出端之間與該第一波導光學耦接； 一第二濾光器，與一第二光學特性相關聯，該第二光學特性與該第一光學特性不相同，該第二濾光器在該第一輸入端以及該第一輸出端之間與該第一波導光學耦接；以及 一光耦合器，與該第一輸出端以及該第二輸出端光學耦接，該光耦合器用於： 於該第一輸出端接收一第一光訊號； 於該第二輸出端接收一第二光訊號； 光學耦合該第一光訊號以及該第二光訊號來產生一光干涉訊號；以及 於一耦合器輸出提供該光干涉訊號。
  14. 如請求項13所述之系統，更包括一光分配器，其包括一分配器輸入、一第一分配器輸出以及一第二分配器輸出，其中： 該光分配器配置為用以： 將於該分配器輸入接收的一光輸入訊號分裂為一第一光輸出訊號以及一第二光輸出訊號； 於該第一分配器輸出提供該第一光輸出訊號；以及 於該第二分配器輸出提供該第二光輸出訊號； 該第一分配器輸出與該第一輸入端光學耦接；以及 該第二分配器輸出與該第二輸入端光學耦接。
  15. 如請求項14所述之系統，其更包括： 一第三波導，包括一第三輸入端、一第三輸出端、以及該第三輸入端以及該第三輸出端之間的第三耦合區域； 一第四波導，包括一第四輸入端、一第四輸出端、以及該第四輸入端以及該第四輸出端之間的第四耦合區域； 一第三濾光器，與該第一光學特性相關聯，該第三濾光器在該第三輸入端以及該第三耦合區域之間與該第三波導光學耦接； 一第四濾光器，與該第二光學特性相關聯，該第四濾光器在該第三輸入端以及該第三耦合區域之間與該第三波導光學耦接； 一第二光耦合器，與該第三耦合區域以及該第四耦合區域光學耦接； 其中，該光分配器配置為用以： 將該光輸入訊號分裂為一第三光輸出訊號以及一第四光輸出訊號； 於該光分配器的第三分配器輸出提供該第三光輸出訊號，該第三分配器輸出與該第三輸入端光學耦接；以及 於該光分配器的第四分配器輸出提供該第四光輸出訊號，該第四分配器輸出與該第四輸入端光學耦接。
  16. 如請求項13所述之系統，其更包括一光檢測器，與該耦合器輸出光學耦接。
  17. 如請求項16所述之系統，其中該光檢測器包括一光電二極體。
  18. 如請求項16所述之系統，其中： 該光耦合器還配置為用以： 在產生該光干涉訊號的同時，產生一第二光干涉訊號；以及 於一第二耦合器輸出提供該第二光干涉訊號；以及 該系統更包括一第二光檢測器，其與該第二耦合器輸出光學耦接。
  19. 如請求項13所述之系統，其中： 該第一光學特性為一第一光波長； 該第二光學特性為一第二光波長； 該第一濾光器包括一第一波長選擇濾波器；以及 該第二濾光器包括一第二波長選擇濾波器。
  20. 如請求項19所述之系統，其中： 基於一第一控制訊號，該第一波長選擇濾波器配置為用以相移該第一波導內的光的第一部份，該第一部份具有該第一光波長； 基於一第二控制訊號，該第二波長選擇濾波器配置為用以相移該第一波導內的光的第二部份，該第二部份具有該第二光波長。
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