超宽数据带光学处理器的制作方法

1.本发明属于在光数据通信中特别有用的光子处理器领域，以及适于在光学集成的人工神经元网络中使用的光计算设备领域。
2.背景
3.光学/光子计算利用对可见光或红外光的操纵来执行计算过程。与电子系统相比，光学计算实现了更快的计算速度，这是因为光脉冲的操纵可以更快，并允许信息的更高带宽的传输。
4.光学计算可以为实时机器学习和人工智能(ai)的需要提供低功率、高速的解决方案，从而允许人工神经网络(ann)的实现，该人工神经网络基本上是被训练以优化其性能用于自动数据识别并根据输入数据执行相关动作的计算机系统。典型的ann系统基于一组相连的单元或节点(人工神经元)；节点之间的连接可以将信号从一个节点传输到另一个节点。特定人工神经元的各种输入乘以线性权重，并且人工神经元的输出通过对加权输入与偏置因子相加的和应用非线性函数(如s形或relu)而生成。人工神经元接收信号，处理信号，并将所得信号传送给与其相连的人工神经元。
5.通常，光子计算实现可以基于硅光子学和光子集成电路平台或基于自由空间解决方案。然而，这种实现受到相位噪声、热敏性和比例相关的低效率的限制。相比之下，光纤提供了一种可靠、稳定且发展良好的技术，其满足了低功率和高带宽的光通信应用。
6.例如，zalevsky等人的wo 2017/033197教导了集成光学模块。光学模块包括多个光学耦合通道，并使其能够在人工神经网络(ann)中使用。根据一些实施例，集成光学模块包括多芯光纤，其中该芯被光学耦合。
7.e.cohen等人的“neural networks within multi-core optic fibers”(sci rep.2016年7月7日；6:290800)描述了光纤神经网络的概念设计。神经元和突触被实现为多芯光纤中的单独二氧化硅芯。光信号通过光耦合在芯之间横向传递。掺铒芯中的泵驱动放大模拟突触相互作用。仿真表明，网络可以根据特定的放大配置来区分给定输入；多芯光纤可以用作大规模、小体积光学人工神经网络的构建块。
8.概述
9.如上所述，光子计算系统提供了远比电子计算系统更好的计算带宽和效率。在系统级，电子计算系统的任何附加模块(诸如，通信模块、储存模块、冷却模块等)消耗附加功率而不增加计算带宽，且因此降低了总效率(以操作/瓦特测量)。
10.在ai应用中，参数(节点、连接、层等)的数量与计算精度以及系统的分层泛化能力之间存在明显的正相关。在几个实施例中，这可能涉及人类生命的拯救或丧失(即，自动驾驶车辆、健康相关的ai应用和安全自动化)。另一方面，超级计算系统需要兆瓦特，并且在能量上是不可持续的。因此，在各种应用中，尤其是ai应用中，需要一种具有极致性能、更佳效率(较低功耗)的光子超级计算系统。
11.一个服务器大小的系统如今通常包含8-16个处理器，而其中的3-6个服务器组成机架(或群聚(pod))，并且超级计算系统可以由几十个甚至一百多个这样的机架(总共有数
千个处理器)组成。
12.如上所述，在光子引导单元(诸如光纤和波导)中传播的光的耦合可以用于各种处理任务。
13.本发明提供了一种新的解决方案，其能够在一个或更多个光子引导单元中与不同传播条件相关联的光场之间进行光耦合，该光子引导单元涉及(参与)光学/光子处理器(例如，人工光学神经元单元)的处理任务。
14.在下面的描述中，这样的光子引导单元被称为“光纤(fiber)”或“光纤(optical fiber)”，但应该理解，本发明的原理不限于基于光纤的光子处理器的使用。本发明还可以用能够经由光场的相互作用实现光子计算/处理的其他类型的波导或通常的光子引导单元来实现。
15.还应该注意，为了本发明的目的，“与不同传播条件相关联的光场”可以指多模光子引导单元(光纤)中的不同传播模式，和/或单模、少模或多模光纤类型的多芯光纤的不同芯，和/或作为单模、少模或多模光纤以及可以支持不同频率的不同光纤。
16.本发明的技术实现了基本功能块的所谓机架配置，每个基本功能块由可操作为光子处理器(例如基于光纤的系统)的上述光子引导单元的阵列形成，其可以与任何已知的用于实现光子型通信或神经网络(例如基于多芯的神经网络)的合适技术一起使用，从而能够获得超宽数据带处理机器的紧凑实现。这种光子处理器的新装置提供了可以并行安装在单个机架中的极高数量的处理器(例如，1800个或更多个处理器)。本发明人已经证实了这种装置的示例性信息流、利用率和可编程性，以及它如何在实现超级计算性能的同时潜在地将计算效率提高超过六个数量级。
17.本发明的技术可以使用商业上可获得的部件来实现，以形成光子计算神经元中的构建块(处理单元)，并且允许经由传统光学通信部件与外部电子学世界进行有效的联接。使用本发明的技术提供了超过每秒1,000,000兆兆(tera)操作(tops)的预期性能和高于1000tops/瓦特的效率。
18.在下面的描述中，术语“计算单元”和“处理单元”可互换地使用，并且指的是被配置用于经由光场之间的耦合和相互作用来实现数据/信号处理任务的光子引导单元的装置。类似地，术语“计算系统”和“处理系统”可互换地使用，并且指的是由多个计算/处理单元/计算/处理单元的阵列及其相关联的输入/输出模块形成的系统。
19.因此，根据本发明的一个广泛方面，提供了一种光子计算系统，包括：预定数量的多个具有输入端口和输出端口的光子处理单元的装置，每个所述光子处理单元包括光子引导单元阵列，该光子引导单元被配置为定义与一个或更多个光学处理任务相关联的多个光场的传播条件；以及多个光连接器，每个所述光连接器在所述光子处理单元的所述装置中的相邻光子处理单元的输入端口和输出端口之间执行光场到光场耦合；所述光子计算系统由此提供通信处理单元的网络。
20.光连接器被配置为桥式连接器。
21.光子处理单元与光连接器以间隔开的并行关系布置，共同形成处理器面板，所述光子计算系统由此被配置为使其能够容纳在网络机架中的模块。
22.在一些实施例中，至少一个或一些光连接器被配置用于将一个处理单元的输出端口连接到另一个处理单元的输入端口。
23.在一些实施例中，至少一个或一些光连接器被配置用于将一个处理单元的输出端口连接到两个或更多个其他处理单元的输入端口。在这种情况下，由至少一个光连接器连接的处理单元的输出端口和输入端口包括分光和耦合元件。
24.在一些实施例中，至少一个或一些光连接器被配置用于保持相应光场的一个或更多个特性，例如光偏振和/或光谱特性。
25.由光子处理单元执行的处理任务可以由可控制地施加在光场上的放大模式来定义。
26.光子处理单元的数量可以由光子引导单元定义的光传播芯的数量来确定。光子引导单元的配置可以使得根据优化的放大模式来定义光传播芯的数量。
27.光连接器与光子处理单元的相应的输入端口和输出端口一起可以被配置并可操作以在光场上施加预定的放大模式。光连接器还可以包括本地控制器，该本地控制器被配置并可操作以控制所施加的放大模式并控制输出光的读出。
28.光子处理单元包括光子主体(photonic body)，该光子主体被配置成定义所述输入端口中的两个或更多个输入端口以及所述输出端口中的两个或更多个输出端口。在一些实施例中，光子主体具有六边形横截面，其小面与输入和输出端口相关联。
29.在一些实施例中，至少一个或一些输入端口包括输入同步单元，该输入同步单元可以包括适于执行客户端-服务器时钟锁定的时钟锁定工具(utility)和/或适于执行光时钟-相位延迟同步的时钟相位对准工具。
30.在一些实施例中，至少一个或一些输入端口被配置并可操作以执行波长转换。
31.在一些实施例中，至少一个或一些输出端口被配置并可操作以执行输出信号整形。
32.光子引导单元被配置成定义以下类型中的一个或更多个的光场：多模光场，由单模、多模或两种光通道的组合定义的多芯光场，通过掺铒芯传播的光场，通过基于光子晶体光纤的芯传播的光场，被限制在2d或3d光子晶体中的光场。
33.光子处理单元可以利用通过绝热地将多个单模芯合并成一个多模芯而制成的光子灯笼(photonic lantern)。
34.根据本发明的另一方面，它提供了一种网络机架，其容纳包括如上所述配置的一个或更多个光子计算系统的多个硬件模块。
35.附图简述
36.为了更好地理解本文公开的主题并且为了例示其可以如何在实践中被实施，现在将仅仅通过非限制性示例参考附图描述实施例，其中：
37.图1是本发明的光子计算系统的示意图；
38.图2a-2c例示了图1的光子计算系统的多个基本功能块的装置与操作，其中图2a和图2c示出了由多个基本块构成的光子处理系统的一部分，图2b示出包含多个光子引导单元的处理单元的光子主体的示例性配置；
39.图3示出了被配置用于容纳本发明的一个或更多个光子计算系统的网络机架；
40.图4示意性地例示了在本发明的光子计算系统的多芯机架配置中本发明的实现；
41.图5a和图5b例示了输入端口的构造，该输入端口包括输入同步单元和波长转换器；
42.图6a-6f例示了本发明的光子计算系统的制造和操作，其中图6a示出了用于单个计算单元的设置，图6b示出了相应制造的多模的图像，图6c-6d示出了两个输入信号组合的模式传播和串扰，演示了输出平面上的混合信号；图6e和图6f例示了可以由光纤放大器提供的非线性激活函数；
43.图7a-7d例示了本发明的基于edmf的计算单元/基本块的配置和操作，其中图7a和图7b分别示出了基本块的光子主体的示例的侧视图和横截面；图7c示出了在图6a-6b的光子主体中不同芯之间耦合和不耦合的情况下计算单元的光谱，以及图7d示出了基于edmf的光子主体的另一示例，该光子主体通过芯掺杂实现了网络。
具体实施方式
44.参考图1，示意性地示出了本发明的光子处理/计算系统10，其被配置并可操作以实现各种数据处理任务/功能。系统10可以用作光通信系统或光计算系统。
45.处理系统10包括被配置为光子处理单元/计算单元的特定数量l的多个基本功能块bfb1......bfb
l
的阵列/装置12。每个第i光子处理单元bfbi具有其相关联的输入/输出端口14和16。每个第i光子处理单元bfbi(基本功能块)被配置并可操作以实现一个或更多个计算/处理任务/功能，并且包括多个n个光子引导单元pgu1......pgun，其共同形成多个光场通道(通常，至少两个这样的通道)，该多个光场通道被配置为定义m个光场传播条件，其中m≥n。
46.如上所述，多个光通道可以与多个光纤相关联，该多个光纤例如为单模光纤和/或多模光纤，和/或单芯或多芯光纤。
47.在下面的描述中，光子处理单元以及这些单元的装置12有时被称为光纤装置或基于光纤的单元。然而，如上所述，本发明涉及光子处理系统10的新架构的原理不限于基于光纤的配置。
48.光子引导单元定义至少一个光传播路径(芯)。应当理解，为了本发明的目的，术语“光通道”的含义不应当限于“特定光谱的光”，也不应当限于物理光传播路径，而应当被广泛地解释为还涵盖多模光纤芯中特定传播模式的光场。
49.因此，例如，光子引导单元可以被配置为光纤单元，其中光场通道与相同光纤的多个芯和/或相同或不同芯的多个模式(即，支持多个空间光学模式的宽芯)相关联。考虑其中多个光通道中的至少一些与不同光路(例如，不同光纤或相同或不同光纤的不同芯)相关联的示例，每个这样的光路具有用于接收输入光的第一端和用于提供输出光的第二端。应该理解，多芯光纤在使用时被适当地配置成在芯之间提供所需耦合。
50.根据本发明，输入/输出单元14、16被配置用于从一个光子处理单元的至少一个输出端收集光，并将光耦合到一个或更多个相邻光子处理单元的相关联的一个或更多个输入端，以实现相关的光学处理任务。如图1进一步所示，系统10包括多个k个光连接器bc1......bck，其被配置为桥式连接器(光路)，用于连接相邻光子处理单元的输入/输出端口14、16。如下面将进一步描述的，光子处理单元可以与多个输入端口和/或多个输出端口相关联。
51.应当注意，桥式光连接器可以被配置用于将一个光子处理单元的输出端连接到另一个光子处理单元的输入端(即1x1光连接)，或者可以被配置用于将一个光子处理单元的
输出端连接到g(g≥2)个处理单元的输入端(即1xg光连接)。在1xg光连接的情况下，相关的输入/输出单元适当地配备有分光器和耦合器。这在图1中示意性例示，其示出光连接器bc
k-1
和bck分别将同一光子处理单元bfb1的输入端口14/16连接到光子处理单元bfb
1-1
和bfb
1-2
的输出端14/16。为此，光子处理单元bfb1的输入/输出端口14/16配备有分光器和耦合器组件15。
52.还应注意，根据特定光学处理任务的需要，光连接器可以适当地配置为保持光偏振或不保持光偏振。可以通过使用反射、漫射和/或折射结构或界面来实现偏振保持。
53.在一些实施例中，光连接器/耦合器可以被配置为保持一个或更多个特定波长(或波长范围)的光场，并且可以适当地配备波长选择性分路器。这些特征可能对wdm功能有用。
54.参考图2a-2c，其例示了在光子处理/计算系统中如何布置上述基本块。为了便于理解，在本文描述的所有示例中，使用相同的参考数字来标识类似的部件。
55.图2a示意性地例示了由多个上述处理单元(基本功能块)bfb/上述处理单元(基本功能块)bfb的阵列形成的光子处理系统10的一部分。图2b更具体地示出了每个处理单元bfb包括光子引导单元pgu的阵列，并且每个处理单元bfb与输入/输出单元/端口14、16相关联。如图2c所示，每个处理单元bfb被其他处理单元包围(除非受限于处理单元的整个组件的边缘)，并且可以经由桥式连接器bc与所有周围的处理单元通信，或者从它们接收光携带的信息，或者向它们发送光携带的信息。
56.优选地，处理单元具有包含多个光子引导单元pgu的六边形横截面的光子主体18，并且六边形的外部小面f1-f6用作主体18两侧的输入/输出端口14、16，这样的光子主体18与12个端口相关联。每个端口可以实现输入或输出功能以及二者，并且信号波长模式以及放大模式都可以注入到处理单元中。
57.来自每个输出端口的光都进入u形桥式连接器bc。后者在其后部部分20中包含连接到本地控制器的电子电缆，该本地控制器实现对注入的放大光的控制和输出光的读出(其可以用于训练和校准)。桥式连接器bc可以包括多模光纤和像素级加权设备(例如，基于使用dmd或lcd技术)，其允许对系统架构的灵活地手动重新配置，或者在训练完成后替换灵活滤波器的固定滤波器。
58.因此，光子处理系统10形成通信处理单元15的网络。网络中的处理单元15的数量及其连接性由光子引导单元pgu定义的光子芯的数量限定。然而，它们是可编程的，因为它们依赖于在系统学习阶段期间优化的放大模式。在处理单元内使用用于计算和路由的放大来确定从输入端口到输出端口的光流。至少一个输入端口和至少一个输出端口由可编程的放大模式配置。网络元件内数据的发散和收敛也受放大模式的控制。
59.本发明的方法提供了基本功能块bfb以及处理系统10的“机架型”配置，即在类似于通信机架(19英寸宽，2-2.5m高)的有限体积内的高密度处理单元。这允许获得超宽数据带处理器的紧凑实现。此外，这种技术允许对架构的灵活的手工重新配置和光学处理的复杂性。
60.这在图3中示意性示出，图3示出了被配置用于容纳网络硬件的网络机架30。系统10被配置为由上述处理单元与相关联的桥式连接器以间隔的并行关系(矩阵排列)布置形成的处理器面板。系统10因此可以形成网络机架的硬件模块之一。这使得网络机架配置包括一个或更多个光子处理系统10以及其他电子部件ec。
61.图4示意性地例示了在利用多个基于光纤的基本功能块(处理单元)bfb被配置为所谓多芯机架的光子处理系统10中实现本发明的上述方法。处理单元bfb被配置为多芯段，该多芯段在芯之间具有所需的耦合。桥式光连接器bc被适当地提供用于将来自一个输入光纤段的输出芯耦合到另一个光纤段中的输入芯。
62.如上所述，用于实现基于光纤的通信或神经网络(例如，基于多芯的神经网络)的任何已知的合适技术都可以集成到上述机架配置中，从而允许获得超宽数据带处理机器的紧凑实现。通过使用执行芯到芯耦合的u形光连接器bc，可以将类似于块(brick)的光纤段(例如，多芯光纤的多个芯，其在芯到芯之间具有适当的耦合)连接成附加块，从而使得光从输入芯向输出芯流动。
63.例如，可调谐设备(例如，包括基于液晶的像素)可以集成在右芯的前面，以对空间芯执行幅度/相位调制，和/或也被构造为光谱滤波器，以允许块中每个期望芯的期望光谱带的衰减。
64.通常，可以用于本发明的光子处理系统10中的处理单元bfb可以是以下类型中的一种或更多种：基于多模的、基于多芯的(单/多模或其组合)、具有或不具有飞秒激光划线(dlw)的掺铒玻璃、基于光子晶体光纤的、2d/3d光子晶体。
65.如图5a中示意性例示，基本块可以被适当地配置为定义输入同步单元14、16。输入同步单元14/16包括被配置为实现客户端-服务器时钟锁定的时钟锁定工具40。为此，使用具有时钟基准和计数器的来回协议(back-and-forth protocol)，从而使得所有信号源可以同步到同一时钟。此外，输入同步单元优选地包括时钟相位对准工具42，其被配置为提供光时钟相位延迟同步。如图所示，光控可变延迟机制可以使时钟相位对齐到一定程度(百分之几)。
66.在一些实施例中，输入单元14、16被配置成实现波长转换。为此，来自分离dwdm频率的信号可以被转换为单个波长，以使用交叉相位调制现象生成所需的相互作用。类似地，可以将单个波长转换为各种dwdm频率以避免相干。
67.这在图5b中示意性例示。当两个输入信号λ1(强度调制输入)和λ2(连续波(cw)信号或脉冲串信号)一起注入有源设备(如掺铒光纤放大器(edfa)或半导体光放大器(soa)时，可以实现波长转换。输入信号竞争增益资源(交叉增益调制)或通过诸如克尔效应(交叉相位调制)、四波混频等非线性过程。
68.在一些实施例中，输出单元14、16被配置成实现输出脉冲整形。这可以包括基于标准掺铒光纤放大器的放大，以及使用交叉增益调制光学adc的wdm复用(必要时转换为数字信号)。上述相同的非线性过程可以用于在连续波源上压印信号脉冲形状或对现有脉冲重新整形。
69.适用于本发明的系统的光子处理单元bfb可以利用通过绝热地将几个单模芯合并为一个多模芯而制成的光子灯笼。这提供了单模和多模系统之间的低损耗接口，其中芯和各个模式之间的精确光学映射是不需要的。特别地，这可以是光子灯笼[例如，t.a.birks等人，“the photonic lantern”adv.opt.photonics 7,107(2015)]，其中扇入和扇出部件背靠背地拼接，使得7个或更多个输入单模光纤绝热地逐渐变细以形成多模段，然后绝热地连接到7个输出单模光纤。
[0070]
数据可以通过标准光纤耦合收发器(发射机/接收机)注入到基于光纤的光子处理
optic fibers”，sci.rep.6,29080(2016)]。
[0081]
通过捆绑和使掺铒光纤逐渐变细，本发明人已经用与多模计算单元类似的方法制造了edmf。在这方面，参考图7a-7d，其例示了这种edmf计算单元15的配置和操作。
[0082]
图7a和图7b分别示出包含具有er掺杂部分/区域的光子引导单元的阵列的光子主体的侧视图和横截面。图7c示出了计算单元在不同芯之间存在耦合和不存在耦合的情况下的光谱。为此，本发明人将波长接近1550nm的信号以不同的组合插入到两个芯中，并将波长为980nm的信号泵浦到一个芯中，并测量组合的输出光谱。输出示出了两个输入信号之间的显著耦合。图7d示出了基于edmf的计算单元bfb，其中网络由芯掺杂实现。根据该网络架构，计算单元包括由掺杂光纤f
掺杂
和未掺杂光纤f
未掺杂
形成的许多芯/光子引导单元pgu。因此，在一些实施例中，可以用作非相干光子神经网络中的构建块的基于光纤的光子计算单元可以由edmf或由edmf和未掺杂光纤的组合形成。这种网络虽然规模很大(1-3个标准的19’通信机架)，但产生了超级计算能力，并表现出超过1000tops/瓦的计算效率，精度与现有系统相当。