[发明专利]基于拓扑光子晶体边界态拼接的片上光学神经网络及方法

说明书

本发明公开了一种基于拓扑光子晶体边界态拼接的片上光学神经网络及方法。本发明利用拓扑光子晶体的边界态作为光学信号传输的载体，提出了一种对加工缺陷和意外损坏有一定容忍度的片上集成光学神经网络；能够减小加工缺陷或意外损坏对神经网络中光信号传输的影响，增强了网络的稳定性，为大规模光子神经网络的实现奠定了基础，并为光子神经网络提供了更宽阔应用场景；多个周期的拓扑光子晶体产生的集体性效应，这一性质使得结构中某一单元的损坏不会直接导致边界态性质发生显著改变；另外，拓扑光子晶体边界态的另一个性质是其上传播的光信号具有两种赝自旋，两种赝自旋光信号的传播方向与拓扑光子晶体的拼接方式相关。

技术领域

本发明涉及光学信号处理技术，具体涉及一种基于拓扑光子晶体边界态拼接的片上光学神经网络及其实现方法。

背景技术

目前存在的片上光学神经网络主要利用片上级连的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)，片上集成波导的分束及合束来实现光信号的传输和处理。一部分设计通过级连的MZI，利用光信号在片上集成波导之间的耦合来实现对光信号的调控。在这种设计中，为了实现一个线性层的功能，需要在输入信号中每两个相邻的波导之间构造一个MZI，具有较长的总波导长度。另外一部分设计使每一个光学神经元的输入端只和与上一层其相邻的两个神经元连接，通过波导的分束和合束达到局部连接的神经网络构型。这样的设计很大程度上减小了波导的长度和器件的体积，但每一层只能实现一个三对角矩阵的光信号变化。以上两种设计面临的挑战在于，它们都高度依赖片上集成波导作为信号传输的介质，使得在这些器件中光信号的传输很容易受到波导加工缺陷或损坏的影响，在硬件层面不具有稳定性。随着网络规模增大，这种稳定性的缺失可能对片上光学神经网络的功能产生严重影响。

光信号在波导内传输，若波导存在缺陷，可能会在信号传输中引入额外的散射或反射，从而改变光信号的相位或者降低光信号的透过率甚至完全阻断光信号的正常传输。而基于片上集成波导的光学神经网络设计特点是分层对光信号进行调制，在每一层中都依赖通过干涉来调整信号的强度。如果在上一层或层与层之间的连接中存在波导缺陷，光信号的相位和振幅发生变化，则会使得接下来的信号处理偏离预定的目标。在逐层的传播中这样的偏离可能被放大使得最终输出的信号完全偏离预想的结果。目前的片上光学神经网络的实现，无论是使用MZI线性层或者采用局部连接层，都不可避免地会遇到这样的问题。随着对片上光学神经网络功能要求的提高，网络的规模越来越大，采用以上设计的器件受到波导加工缺陷或意外损坏影响的威胁会变得更高。

发明内容

为了解决在光学硬件上光学信号传输受到波导加工缺陷和损坏影响的问题，本发明提出了一种基于拓扑光子晶体边界态拼接的片上光学神经网络及其实现方法。

本发明的一个目的在于提出一种基于拓扑光子晶体边界态拼接的片上光学神经网络。