专利名称：基于微环谐振器的集成化光学向量-矩阵乘法器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学向量-矩阵乘法器技术领域，尤其涉及一种基于微环谐振器的 集成化光学向量-矩阵乘法器(Optical Vector-Matrix Multiplier, 0VMM)，这种光学向 量-矩阵乘法器由可调谐的平行直波导结构的微环谐振器(Microring Resonator，MRR)通 过二维排布来实现。
背景技术：
首先，光学向量-矩阵乘法器的模型是美国Stanford大学的J.W.Goodman提出 的，于 1978 年发表的"Fully parallel, high speed incoherentoptical method for performing discrete Fourier transforms” (J.W.Goodman, OPTICS LETTERS, Vol.2, No.l, 1-3)对其 进行了介绍。Goodman的“斯坦福向量_矩阵乘法器”主要包括三个部分，即光源阵 列、矩阵掩模和探测器阵列。首先利用一行发光二极管作为输入向量，在发光二极管阵 列和矩阵掩模之间安排光路使每个发光二极管只照亮矩阵掩膜的一列，再在矩阵掩模后 安排这样的光路，使来自矩阵掩模每一行的光聚焦在不同的探测元件上，从而实现了 10 点的离散傅里叶变换。虽然当时人们已经认识到OVMM在光计算领域的巨大应用潜力， 但由于技术的原因，光源阵列、探测器阵列和空间光调制器的精度、维数和速度都不够 理想，所以这方面的工作一直停滞不前。另外，由于光信号在自由空间传播与分集，能 量利用率低，系统设计与装调难度大。这些缺点都限制了它的应用范围。光计算研究的停滞一方面是由于光计算本身面临很多挑战，另一方面也由于集 成电路的发展。从上世纪70年代开始，随着半导体工艺技术的进步，基于集成电路的微 处理器获得了长达三十多年的快速和持续的发展。我们都知道，芯片上晶体管的尺寸做 得越小，CPU工作的频率就可以越高。沿着这个思路，人们将CPU的性能按照摩尔定 律的预言一再提高。但发展到今天，又出现了一些新的问题，高主频导致CPU的功耗急 剧上升，而且漏电和散热问题也难以解决。芯片上集成的晶体管数目已经接近物理的极 限，意味着集成电路的性能也将达到极限，摩尔定律不久将会失效。针对这一问题，人 们开始考虑采用新的物理原理来实现处理器与计算机，其中主要包括光计算机和量子计 算机。虽然基于这些概念的通用型微处理器距离实用化还有一段距离，但一些关键单元 或者原型样机的研制却非常有意义。由于这些新概念计算机采用一些特殊的物理原理， 它们可能非常擅长处理某一类任务。比如光处理方式就具有并行性高的优点。这使得它 们在目前可能为一些专门任务提供协处理，在未来也许会成为主流的微处理器及计算机 实现方式。德国Hagen大学M.Graber等科学家最早开始集成化的光学向量-矩阵乘法器 的研究，发表于 2002 年的 “Planar-integrated optical vector-matrixmultiplier” (Matthias Graber，APPLIED OPTICS, Vol.39, No.29, 5367 5373)记载了他们在半导体晶片上
实现OVMM的方法。其基本思想仍然是J.W.Goodman教授提出的那样，只不过现在采 用了半导体晶片的技术。J.W.Goodman教授的模型中透镜的功能在这里采用由刻蚀技术制作的微透镜及衍射单元(DOE，Diffraction Optical Element)实现。由于仍然采用自由
传播(在半导体材料内)的方式实现光信号的分集，系统的能量效率很低，所以对光源与 探测器的要求就很高，这就使得它难以真正实用化。在专利US 4,620,293 "Optical matrix multiplier” 中已公开 了一种 0VMM 的装
置。其中，利用发光二极管(LED)提供输入向量，通过空间光调制器(SLM)提供输入 的矩阵，利用光电探测器实现光信号的探测，实现了光学向量-矩阵乘法。可见，它即 是J.W.Goodman提出的模型的具体实现。在专利EP 1,436,681 "Vector-Matrix Multiplication” 中已公开了一种 OVMM 的
装置。其中，利用垂直腔面发射激光器(VCSEL)提供输入向量，通过多量子阱空间光调 制器(MQW-SLM)提供输入的矩阵，利用光电探测器实现光信号的探测，实现了光学向 量-矩阵乘法。并为之设计了算法，函数库，存储器及外围控制单元。尽管它采用了更 先进的器件，但仍然是J.W.Goodman提出的空间传播分集模型的具体实现。在专利US 4,125,316 "Integrated optical matrix multiplier"中已公开了一种集成 化光学向量-矩阵乘法器的装置。它采用光电导材料波导a与电光材料波导b制成，当 光经过a时，引起b处的电场发生改变，从而对b中的光发生作用。这其实是利用电场 为媒介实现光对光的调制而完成乘法。但是这种方案需要使用光电导材料及电光材料， 与集成电路工艺不兼容。
发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于微环谐振器的光学向量_矩阵 乘法器，以提高信息传递速率，减小信息传递的延迟，避免模拟光计算系统的精度差、 可编程能力弱等缺点，并解决传统光学向量_矩阵乘法器空间分集效率低下的问题。(二)技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种集成化光学向量-矩阵乘法器，该光学向 量-矩阵乘法器由并行耦合的内积运算单元构成，该内积运算单元具有多个一维排列的 可调谐的平行波导结构的微环谐振器，该光学向量-矩阵乘法器采用集成光学的方式实 现MXN矩阵与NX1向量的乘法，其中矩阵和向量中的元素均为0或1的二进制数， M、N为自然数。上述方案中，该微环谐振器是输入输出直波导相互平行的微环谐振器，而不是 交叉波导结构的微环谐振器，微环谐振器的环之间不存在耦合。上述方案中，该微环谐振器包括两个相互平行的直波导和一个环形波导，该环 形波导与两个直波导相切。上述方案中，该向量_矩阵乘法器的功能实现过程是输入端为M个内积运算单元的直波导端口，输入信号由初始向量决定，若初始 向量的第i个元素为1，则全部M个端口输入都含有对应波长成分\的激光脉冲；若初 始向量的第i个元素为0，则全部M个端口的输入都不含该波长信号；若矩阵的第i行第j列元素为1，则第i个内积运算单元的第j个MRR的谐振波 长被调谐至若矩阵的第i行第j列元素为0，则第i个内积运算单元的第j个MRR的谐振波长被调整至非、，A2,…，任一波长处，其中j = l，2，…，N；在光学向量_矩阵乘法器的M个输出端口进行探测，所得光强依次为向量_矩 阵乘法所得M维结果向量的元素。上述方案中，该向量_矩阵乘法器输入向量中的不同元素分别对应不同波长的 激光脉冲，当输入向量中的某个元素为0时，对应波长的激光脉冲功率为零；当某个元 素为1时，对应波长的激光脉冲的功率为预设的一个常值；每次运算中，向量-矩阵乘法 器各个端口的输入完全相同。上述方案中，用MRR的谐振状态来表征输入矩阵的元素，矩阵的每一行对应一 个内积运算单元，第i行第j列元素为1时，第j个微环的谐振频率为当该元素为0 时，第j个微环的谐振频率为非A2,…，的任一波长，其中j = l，2，…，N。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果本发明提供的集成化光学向量-矩阵乘法器，利用现成的工艺技术，使得器件 体积小，功耗低，扩展性好，便于与电学元件集成；利用激光脉冲传递信息，速率高， 延迟小；用数字方式进行信号处理，避免了模拟光计算系统的精度差、可编程能力弱的 缺点；用高折射率差波导传导光，解决了传统光学向量-矩阵乘法器空间分集效率低下 的问题。
图1为平行波导结构的微环谐振器；图2为内积运算单元；图3为基于微环谐振器的集成化光学向量_矩阵乘法器的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并 参照附图，对本发明进一步详细说明。图1是构成光学向量-矩阵乘法器的基本单元，即平行直波导结构的可调谐微环 谐振器。端口 1为输入端，端口 2为直通端，端口 3为输出端，并假定微环的谐振频率 为入i。利用单个可调谐的微环谐振器可以实现两个一位二进制数的乘法，其对应的输入 /输出端口和微环的谐振状态如表1所示，表1是利用单个微环谐振器实现两个二进制数 的乘法。其中，端口 1的输入光和微环的谐振波长分别表示两个乘数，即端口 1有、的 光输入时，第一个乘数为1，否则为0，微环谐振波长为、时，第二个乘数为1，否则为 0；计算结果由端口 3的输出表示，有光时表示结果为1，否则为0。
权利要求
1.一种集成化光学向量-矩阵乘法器，其特征在于，该光学向量-矩阵乘法器由可扩 展的内积运算单元构成，该内积运算单元由一维排列的多个可调谐的平行波导结构的微 环谐振器构成，该光学向量-矩阵乘法器采用集成光学的方式实现MXN矩阵与NXl向 量的乘法，其中矩阵和向量中的元素均为O或1的二进制数，M、N为自然数。
2.根据权利要求1所述的集成化光学向量-矩阵乘法器，其特征在于，该微环谐振器 是输入输出直波导相互平行的微环谐振器，而不是交叉波导结构的微环谐振器，微环谐 振器的环之间不存在耦合。
3.根据权利要求1所述的集成化光学向量-矩阵乘法器，其特征在于，该微环谐振器 包括两个相互平行的直波导和一个环形波导，该环形波导与两个直波导相切。
4.根据权利要求1所述的集成化光学向量-矩阵乘法器，其特征在于，该向量-矩阵 乘法器的功能实现过程是输入端为M个内积运算单元的直波导端口，输入信号由初始向量决定，若初始向量 的第i个元素为1，则全部M个端口输入都含有对应波长成分λ,的激光脉冲；若初始向 量的第i个元素为0，则全部M个端口的输入都不含该波长信号；若矩阵的第i行第j列元素为1，则第i个内积运算单元的第j个MRR的谐振波长被 调谐至若矩阵的第i行第j列元素为0，则第i个内积运算单元的第j个MRR的谐振 波长被调整至非、，λ2,…，任一波长处，其中j = l，2，…，N；在光学向量_矩阵乘法器的M个输出端口进行探测，所得光强依次为向量_矩阵乘 法所得M维结果向量的元素。
5.根据权利要求1所述的集成化光学向量-矩阵乘法器，其特征在于，该向量-矩阵 乘法器输入向量中的不同元素分别对应不同波长的激光脉冲，当输入向量中的某个元素 为0时，对应波长的激光脉冲功率为零；当某个元素为1时，对应波长的激光脉冲的功率 为预设的一个常值；每次运算中，向量-矩阵乘法器各个端口的输入完全相同。
6.根据权利要求1所述的集成化光学向量-矩阵乘法器，其特征在于，用MRR的谐 振状态来表征输入矩阵的元素，矩阵的每一行对应一个内积运算单元，第i行第j列元素 为1时，第j个微环的谐振频率为当该元素为0时，第j个微环的谐振频率为非入” 入2，…，入Ν的任一波长，其中j = l，2，…，N。
全文摘要
本发明公开了一种集成化光学向量-矩阵乘法器，该光学向量-矩阵乘法器由可扩展的内积运算单元构成，该内积运算单元由一维排列的多个可调谐的平行波导结构的微环谐振器构成，该光学向量-矩阵乘法器采用集成光学的方式实现M×N矩阵与N×1向量的乘法，其中矩阵和向量中的元素均为0或1的二进制数，M、N为自然数。本发明提供的这种基于微环谐振器的光学向量-矩阵乘法器，集成度高，可扩展性强，且便于与电学元件集成，提高了信息传递速率，减小了信息传递的延迟，避免了模拟光计算系统的精度差、可编程能力弱等缺点，并解决了传统光学向量-矩阵乘法器空间分集效率低下的问题。
文档编号G06E1/04GK102023672SQ20091009388
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月23日 优先权日2009年9月23日
发明者冀瑞强, 刘育梁, 张磊, 杨林, 耿敏明, 贾连希, 陈平 申请人:中国科学院半导体研究所