[发明专利]一种基于模式复用的光学矩阵向量乘法器

说明书

本发明公开了一种基于模式复用的光学矩阵向量乘法器，包括相连的第一复用器、多模功分器和第二复用器；第一复用器包括同数量第一复用器用弯曲波导和第一复用器用直波导，第一复用器用直波导同轴且宽度依次增大，宽度最大第一复用器用直波导连多模功分器中的多模干涉耦合区；第一复用器用弯曲波导通过微环与第一复用器用直波导耦合；多模干涉耦合区连接宽度最大第一复用器用直波导和多根多模功分器用直波导一端；第二复用器由与第一复用器用弯曲波导同数量的输出端机构构成；输出端机构中各弯曲波导与第一调制区中各直波导通过定向耦合器耦合，成解复用器。该向量乘法器可实现高速大容量信息处理，可靠实现乘法器功能，降低制作成本。

技术领域

本发明属于光信息处理技术领域，涉及一种基于模式复用的光学矩阵向量乘法器。

背景技术

随着新型的互联网数据业务如视频通话、无人驾驶、超级计算机等技术的涌现，现代社会中人们对于信息传递的速度和容量提出了前所未有的高要求。然而传统的信息技术主要是基于ARM架构的电子信息处理方式，为了满足这种高速、大容量的信息处理，人们在同一个CPU上集成的核心数越来越多，单个核心上集成的晶体管数越来越多，晶体管尺寸越来越小。但是由此带来的片上金属互连以及功耗和散热问题也变得越来越棘手，摩尔定律的延续也遇到了困难。因此，越来越多的研究者都把研究目光投向了光，并以此来完成相关的信息处理、包括光计算等一系列重要的操作。用光代替电实现各种运算和信息的传递能大幅度的提升器件的工作速度，由光纤与各种光学元件构成的集成光路，可以大大提高对数据运算和传输的能力。光学矩阵向量乘法器是光学信息处理中重要的基本器件，利用光的并行运算的特点，在输出端同时输出多个计算结果，一方面可以大大降低信息传输的延时，几何倍数式的提升器件的工作速度；另一方面也增加了信息传输的容量，为将来高速、大容量的光互连的实现奠定了基础。

光学矩阵向量乘法器因其特有的高速度、低延迟以及并行计算等特点，正成为相关领域研究者关注的热点，在数字图像处理、雷达信号处理和相干光通信等现代数字处理领域有着重要应用，为将来构建全光计算、高速大容量光学互连网络搭起了桥梁作用。早在1982年，斯坦福大学的Ravindra A. Athal等人首先在著名期刊AppliedOptics上发表了文章“Optical matrix-matrix multiplier based on outer product decomposition”(AppliedOptics, Vol. 21, No.12,1982)。由于是首次提出光学矩阵乘法器的概念，Ravindra A. Athal等人利用空间光学的方式实现了光的矩阵相乘运算。此后，中国科学院半导体研究所的杨林教授等人利用波分复用技术实现了能够光学矩阵向量乘法器，并发表论文“On-chip optical matrix-vector multiplier”(Proc. of SPIE, Vol. 8855,88550F (2013))等等。该器件是基于SOI材料上实现的，能有效的结合成熟的CMOS工艺将多个波导结构集成到一个光子芯片上，输出光再通过光-电转换的形式，在输出端得到目标的操作波形，其每个通道的工作速度达到20Mb/s。此外近几年里，也有很多研究人员陆陆续续地报道利用波分复用的方式来实现光学矩阵向量乘法器。但是，基于波分复用的光学矩阵向量乘法器由于在工作的同时需要多个激光波长，因此就需要多个激光光源，成本较高；再者，由于可利用的C波段的波长范围有限，微环谐振器的通道带宽和FSR都不可能做到绝对理想化，造成波分复用可利用的通道也因此受限，波分复用技术也正遇到瓶颈。为了解决这一问题，人们提出了一种新的光信号复用方式，即模式复用。所谓模式复用技术，就是将光的不同模态复用到一根多模光纤或多模波导上传输，并在接收端将不同的模态解复用成相应的信号的技术。相比于波分复用技术，模式复用技术从根本上解决了片上激光器不够用的问题，极大降低了制作成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于模式复用的光学矩阵向量乘法器，通过在多模波导中复用光的多个模式这一原理，可以同时并行多个运算并同时输出，极大降低了大规模光互连系统中信号传递的延迟时间，降低了大规模集成光路器件制作的成本，为集成系统中信号的高速度传输提供了可靠性的保障。