專利名稱：基于微環諧振器的集成化光學向量-矩陣乘法器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光學向量-矩陣乘法器技術領域，尤其涉及一種基于微環諧振器的 集成化光學向量-矩陣乘法器(Optical Vector-Matrix Multiplier, 0VMM)，這種光學向 量-矩陣乘法器由可調諧的平行直波導結構的微環諧振器(Microring Resonator，MRR)通 過二維排布來實現。
背景技術：
首先，光學向量-矩陣乘法器的模型是美國Stanford大學的J.W.Goodman提出 的，于 1978 年發表的"Fully parallel, high speed incoherentoptical method for performing discrete Fourier transforms” (J.W.Goodman, OPTICS LETTERS, Vol.2, No.l, 1-3)對其 進行了介紹。Goodman的“斯坦福向量_矩陣乘法器”主要包括三個部分，即光源陣 列、矩陣掩模和探測器陣列。首先利用一行發光二極管作為輸入向量，在發光二極管陣 列和矩陣掩模之間安排光路使每個發光二極管只照亮矩陣掩膜的一列，再在矩陣掩模后 安排這樣的光路，使來自矩陣掩模每一行的光聚焦在不同的探測元件上，從而實現了 10 點的離散傅里葉變換。雖然當時人們已經認識到OVMM在光計算領域的巨大應用潛力， 但由于技術的原因，光源陣列、探測器陣列和空間光調制器的精度、維數和速度都不夠 理想，所以這方面的工作一直停滯不前。另外，由于光信號在自由空間傳播與分集，能 量利用率低，系統設計與裝調難度大。這些缺點都限制了它的應用范圍。光計算研究的停滯一方面是由于光計算本身面臨很多挑戰，另一方面也由于集 成電路的發展。從上世紀70年代開始，隨著半導體工藝技術的進步，基于集成電路的微 處理器獲得了長達三十多年的快速和持續的發展。我們都知道，芯片上晶體管的尺寸做 得越小，CPU工作的頻率就可以越高。沿著這個思路，人們將CPU的性能按照摩爾定 律的預言一再提高。但發展到今天，又出現了一些新的問題，高主頻導致CPU的功耗急 劇上升，而且漏電和散熱問題也難以解決。芯片上集成的晶體管數目已經接近物理的極 限，意味著集成電路的性能也將達到極限，摩爾定律不久將會失效。針對這一問題，人 們開始考慮采用新的物理原理來實現處理器與計算機，其中主要包括光計算機和量子計 算機。雖然基于這些概念的通用型微處理器距離實用化還有一段距離，但一些關鍵單元 或者原型樣機的研制卻非常有意義。由于這些新概念計算機采用一些特殊的物理原理， 它們可能非常擅長處理某一類任務。比如光處理方式就具有并行性高的優點。這使得它 們在目前可能為一些專門任務提供協處理，在未來也許會成為主流的微處理器及計算機 實現方式。德國Hagen大學M.Graber等科學家最早開始集成化的光學向量-矩陣乘法器 的研究，發表于 2002 年的 “Planar-integrated optical vector-matrixmultiplier” (Matthias Graber，APPLIED OPTICS, Vol.39, No.29, 5367 5373)記載了他們在半導體晶片上
實現OVMM的方法。其基本思想仍然是J.W.Goodman教授提出的那樣，只不過現在采 用了半導體晶片的技術。J.W.Goodman教授的模型中透鏡的功能在這里采用由刻蝕技術制作的微透鏡及衍射單元(DOE，Diffraction Optical Element)實現。由于仍然采用自由
傳播(在半導體材料內)的方式實現光信號的分集，系統的能量效率很低，所以對光源與 探測器的要求就很高，這就使得它難以真正實用化。在專利US 4,620,293 "Optical matrix multiplier” 中已公開 了一種 0VMM 的裝
置。其中，利用發光二極管(LED)提供輸入向量，通過空間光調制器(SLM)提供輸入 的矩陣，利用光電探測器實現光信號的探測，實現了光學向量-矩陣乘法。可見，它即 是J.W.Goodman提出的模型的具體實現。在專利EP 1,436,681 "Vector-Matrix Multiplication” 中已公開了一種 OVMM 的
裝置。其中，利用垂直腔面發射激光器(VCSEL)提供輸入向量，通過多量子阱空間光調 制器(MQW-SLM)提供輸入的矩陣，利用光電探測器實現光信號的探測，實現了光學向 量-矩陣乘法。并為之設計了算法，函數庫，存儲器及外圍控制單元。盡管它采用了更 先進的器件，但仍然是J.W.Goodman提出的空間傳播分集模型的具體實現。在專利US 4,125,316 "Integrated optical matrix multiplier"中已公開了一種集成 化光學向量-矩陣乘法器的裝置。它采用光電導材料波導a與電光材料波導b制成，當 光經過a時，引起b處的電場發生改變，從而對b中的光發生作用。這其實是利用電場 為媒介實現光對光的調制而完成乘法。但是這種方案需要使用光電導材料及電光材料， 與集成電路工藝不兼容。
發明內容
(一)要解決的技術問題有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種基于微環諧振器的光學向量_矩陣 乘法器，以提高信息傳遞速率，減小信息傳遞的延遲，避免模擬光計算系統的精度差、 可編程能力弱等缺點，并解決傳統光學向量_矩陣乘法器空間分集效率低下的問題。(二)技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種集成化光學向量-矩陣乘法器，該光學向 量-矩陣乘法器由并行耦合的內積運算單元構成，該內積運算單元具有多個一維排列的 可調諧的平行波導結構的微環諧振器，該光學向量-矩陣乘法器采用集成光學的方式實 現MXN矩陣與NX1向量的乘法，其中矩陣和向量中的元素均為0或1的二進制數， M、N為自然數。上述方案中，該微環諧振器是輸入輸出直波導相互平行的微環諧振器，而不是 交叉波導結構的微環諧振器，微環諧振器的環之間不存在耦合。上述方案中，該微環諧振器包括兩個相互平行的直波導和一個環形波導，該環 形波導與兩個直波導相切。上述方案中，該向量_矩陣乘法器的功能實現過程是輸入端為M個內積運算單元的直波導端口，輸入信號由初始向量決定，若初始 向量的第i個元素為1，則全部M個端口輸入都含有對應波長成分\的激光脈沖；若初 始向量的第i個元素為0，則全部M個端口的輸入都不含該波長信號；若矩陣的第i行第j列元素為1，則第i個內積運算單元的第j個MRR的諧振波 長被調諧至若矩陣的第i行第j列元素為0，則第i個內積運算單元的第j個MRR的諧振波長被調整至非、，A2,…，任一波長處，其中j = l，2，…，N；在光學向量_矩陣乘法器的M個輸出端口進行探測，所得光強依次為向量_矩 陣乘法所得M維結果向量的元素。上述方案中，該向量_矩陣乘法器輸入向量中的不同元素分別對應不同波長的 激光脈沖，當輸入向量中的某個元素為0時，對應波長的激光脈沖功率為零；當某個元 素為1時，對應波長的激光脈沖的功率為預設的一個常值；每次運算中，向量-矩陣乘法 器各個端口的輸入完全相同。上述方案中，用MRR的諧振狀態來表征輸入矩陣的元素，矩陣的每一行對應一 個內積運算單元，第i行第j列元素為1時，第j個微環的諧振頻率為當該元素為0 時，第j個微環的諧振頻率為非A2,…，的任一波長，其中j = l，2，…，N。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果本發明提供的集成化光學向量-矩陣乘法器，利用現成的工藝技術，使得器件 體積小，功耗低，擴展性好，便于與電學元件集成；利用激光脈沖傳遞信息，速率高， 延遲小；用數字方式進行信號處理，避免了模擬光計算系統的精度差、可編程能力弱的 缺點；用高折射率差波導傳導光，解決了傳統光學向量-矩陣乘法器空間分集效率低下 的問題。
圖1為平行波導結構的微環諧振器；圖2為內積運算單元；圖3為基于微環諧振器的集成化光學向量_矩陣乘法器的結構示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并 參照附圖，對本發明進一步詳細說明。圖1是構成光學向量-矩陣乘法器的基本單元，即平行直波導結構的可調諧微環 諧振器。端口 1為輸入端，端口 2為直通端，端口 3為輸出端，并假定微環的諧振頻率 為入i。利用單個可調諧的微環諧振器可以實現兩個一位二進制數的乘法，其對應的輸入 /輸出端口和微環的諧振狀態如表1所示，表1是利用單個微環諧振器實現兩個二進制數 的乘法。其中，端口 1的輸入光和微環的諧振波長分別表示兩個乘數，即端口 1有、的 光輸入時，第一個乘數為1，否則為0，微環諧振波長為、時，第二個乘數為1，否則為 0；計算結果由端口 3的輸出表示，有光時表示結果為1，否則為0。
權利要求
1.一種集成化光學向量-矩陣乘法器，其特征在于，該光學向量-矩陣乘法器由可擴 展的內積運算單元構成，該內積運算單元由一維排列的多個可調諧的平行波導結構的微 環諧振器構成，該光學向量-矩陣乘法器采用集成光學的方式實現MXN矩陣與NXl向 量的乘法，其中矩陣和向量中的元素均為O或1的二進制數，M、N為自然數。
2.根據權利要求1所述的集成化光學向量-矩陣乘法器，其特征在于，該微環諧振器 是輸入輸出直波導相互平行的微環諧振器，而不是交叉波導結構的微環諧振器，微環諧 振器的環之間不存在耦合。
3.根據權利要求1所述的集成化光學向量-矩陣乘法器，其特征在于，該微環諧振器 包括兩個相互平行的直波導和一個環形波導，該環形波導與兩個直波導相切。
4.根據權利要求1所述的集成化光學向量-矩陣乘法器，其特征在于，該向量-矩陣 乘法器的功能實現過程是輸入端為M個內積運算單元的直波導端口，輸入信號由初始向量決定，若初始向量 的第i個元素為1，則全部M個端口輸入都含有對應波長成分λ,的激光脈沖；若初始向 量的第i個元素為0，則全部M個端口的輸入都不含該波長信號；若矩陣的第i行第j列元素為1，則第i個內積運算單元的第j個MRR的諧振波長被 調諧至若矩陣的第i行第j列元素為0，則第i個內積運算單元的第j個MRR的諧振 波長被調整至非、，λ2,…，任一波長處，其中j = l，2，…，N；在光學向量_矩陣乘法器的M個輸出端口進行探測，所得光強依次為向量_矩陣乘 法所得M維結果向量的元素。
5.根據權利要求1所述的集成化光學向量-矩陣乘法器，其特征在于，該向量-矩陣 乘法器輸入向量中的不同元素分別對應不同波長的激光脈沖，當輸入向量中的某個元素 為0時，對應波長的激光脈沖功率為零；當某個元素為1時，對應波長的激光脈沖的功率 為預設的一個常值；每次運算中，向量-矩陣乘法器各個端口的輸入完全相同。
6.根據權利要求1所述的集成化光學向量-矩陣乘法器，其特征在于，用MRR的諧 振狀態來表征輸入矩陣的元素，矩陣的每一行對應一個內積運算單元，第i行第j列元素 為1時，第j個微環的諧振頻率為當該元素為0時，第j個微環的諧振頻率為非入” 入2，…，入Ν的任一波長，其中j = l，2，…，N。
全文摘要
本發明公開了一種集成化光學向量-矩陣乘法器，該光學向量-矩陣乘法器由可擴展的內積運算單元構成，該內積運算單元由一維排列的多個可調諧的平行波導結構的微環諧振器構成，該光學向量-矩陣乘法器采用集成光學的方式實現M×N矩陣與N×1向量的乘法，其中矩陣和向量中的元素均為0或1的二進制數，M、N為自然數。本發明提供的這種基于微環諧振器的光學向量-矩陣乘法器，集成度高，可擴展性強，且便于與電學元件集成，提高了信息傳遞速率，減小了信息傳遞的延遲，避免了模擬光計算系統的精度差、可編程能力弱等缺點，并解決了傳統光學向量-矩陣乘法器空間分集效率低下的問題。
文檔編號G06E1/04GK102023672SQ20091009388
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月23日 優先權日2009年9月23日
發明者冀瑞強, 劉育梁, 張磊, 楊林, 耿敏明, 賈連希, 陳平 申請人:中國科學院半導體研究所