[发明专利]一种基于波长路由的光子矩阵向量乘法器及其运算方法

说明书

本发明提供一种基于波长路由的光子矩阵向量乘法器及其运算方法，解决现有光矩阵向量乘法器无法实现较大的规模以及不具备可行性的问题。该光子矩阵向量乘法器包括依次设置的多波长光源单元、第一光调制器阵列、功分器阵列、第二光调制器阵列、阵列波导光栅和探测器阵列；第一光调制器阵列包括N个第一调制器，功分器阵列包含N个功分器，第二光调制器阵列包括N个第二调制器，阵列波导光栅包括依次设置的输入衍射区、阵列波导和输出衍射区，探测器分别与输出衍射区的M个输出口一一对应连接。与传统空间光学直接映射到平面的方案相比，本发明所提出的乘法器结构具有高性能、高可实现性、易于集成等优势。

技术领域

本发明涉及光信息技术领域，具体涉及一种基于波长路由的光子矩阵向量乘法器及其运算方法。

背景技术

计算技术是现代信息技术的核心，传统电子计算方法具有高能耗、低效率、低并行性的缺点，而光子计算技术可以克服上述缺点。矩阵-向量乘法是光子计算的一个重要分支。

现有的光矩阵向量乘法运算采用自由空间光结构，N组加载了向量信息的光源，水平方向排成一行，通过垂直方向的柱面透镜系统扩束到一个含有N×M个调制单元的空间光调制器面阵，在面阵上加载了矩阵元素信息之后，再通过一个水平方向的柱面透镜系统，聚焦到一列垂直方向排列的光探测器上。该方案由于采用空间光学结构，具有尺寸和体积较大等缺点。理论上也可将这一方案以平面映射的方式制作光子芯片，但是简单的将空间结构映射到二维平面上会导致极大的光损耗和极差的一致性，导致该方案实现的光子向量矩阵乘法器无法实现较大的规模，不具备可行性。

发明内容

本发明的目的是解决现有光矩阵向量乘法器无法实现较大的规模以及不具备可行性的问题，从而提供一种基于波长路由的光子矩阵向量乘法器及其运算方法，与传统空间光学直接映射到平面的方案相比，本发明所提出的乘法器结构具有高性能、高可实现性、易于集成等优势。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于波长路由的光子矩阵向量乘法器，包括依次设置的多波长光源单元、第一光调制器阵列、功分器阵列、第二光调制器阵列、阵列波导光栅和探测器阵列；所述多波长光源单元用于产生N组不同波长的光束；所述第一光调制器阵列包括N个第一调制器，所述多波长光源单元输出的N组光束通过N根输出波导分别与N个第一调制器的输入口一一对应连接，所述第一光调制器阵列对N组光束分别以同样的波特率进行调制，得到N组加载了向量信息的光束，且每组光束频率不同；所述功分器阵列包含N个功分器，每个功分器设有一个输入口和M个输出口，N个功分器的输入口与N个第一调制器的输出口一一对应连接，单个功分器将输入的光束分为M份输出，功分器阵列共输出N×M组光束；所述第二光调制器阵列包括N个第二调制器，每个第二调制器设置有M个输入口和M个输出口，所述第二调制器的M个输入口分别与功分器的M个输出口一一对应连接，所述第二光调制器阵列对N×M组光束分别进行调制，加载矩阵信息；所述阵列波导光栅包括依次设置的输入衍射区、阵列波导和输出衍射区，所述输入衍射区设有N×M个输入口，分别与第二光调制器阵列中的N×M个输出口一一对应连接，所述输出衍射区设有M个输出口，N×M组光束经过阵列波导光栅后被分成M组，分别进入输入衍射区的M个输出口，其中输入衍射区的第i、i+N…i+kN个波导中的光束进入输出衍射区的第k个波导，其中i=1，2…N ，k=1，2…M；所述探测器阵列包括M个探测器，M个探测器分别与输出衍射区的M个输出口一一对应连接，在单个探测器中，N个频率的光功率相加形成光电流，完成加法运算。

进一步地，所述多波长光源单元为单纵模激光器阵列。

进一步地，所述多波长光源单元包括依次连接的光学频率梳和波长解复用器。

同时，本发明还提供一种基于波长路由的光子矩阵向量乘法器的运算方法，包括以下步骤：

步骤一、多波长光源单元发出N组等频率间隔的光束，并对N组光束分别以同样的波特率进行调制，得到N组加载了向量信息的光束，且每组光束频率不同；