[发明专利]基于微环谐振器的集成化光学向量-矩阵乘法器

说明书

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，OVMM)，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.1，1-3)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.Gruber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 Gruber，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OVMM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。