一种基于手性微腔的光计算芯片及其计算方法

本发明涉及集成光子与光计算，尤其涉及一种基于手性微腔的光计算芯片及其计算方法。

背景技术：

1、随着神经网络模型规模不断扩大，其训练和推理过程中的矩阵—向量乘法涉及大量乘加运算，对计算吞吐、存储带宽和能效提出了更高要求。光子具有高带宽、高并行度和低传播延迟等特点，利用集成光子器件对输入数据和权重进行编码，可在光传播过程中完成乘法与累加运算。

2、现有微环光计算架构通常以微环谐振腔在给定波长处的透射率表示可编程权重，通过调节微环谐振频率与输入光频率之间的失谐量，改变相应波长光信号的输出功率。在波分复用架构中，输入向量的多个数据分别编码到不同波长光信号的光功率上，并经波分复用后在同一光学路径中传输。多个微环谐振腔分别与相应波长通道耦合，各微环的透射率用于表示对应权重，每个波长通道的输出光功率表示输入数据与对应权重的乘积。经过加权的多个波长通道由光电探测器测得光功率之和，获得向量点乘结果；进一步设置多组微环权重阵列和输出探测支路，可实现卷积或矩阵—向量乘法。

3、受互易关系约束，同一微环谐振腔的正向与反向透射响应难以独立调控，在同一工作波长和器件配置下通常仅能承载一个独立权重，难以利用传播方向复用同一物理计算单元。当需要扩展权重矩阵规模，或在同一配置下承载多种独立计算功能时，现有方案需要增加微环单元数量及相应光学支路，导致器件数量和芯片面积随计算规模及功能数量增加，限制了芯片计算密度的提升。因此，需要一种与集成电光调控兼容、能够在同一微环谐振腔中分别配置正向和反向光学权重的光计算方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于手性微腔的方向相关双向权重光计算芯片及其计算方法，以非对称散射结构和可调sagnac干涉环的组合结构在同一微腔中形成方向相关的双向权重，并通过一个相位调节结构完成权重写入，从而减少每个权重单元所需的主动调节结构和驱动通道。所称手性微腔，是指其两个相反环行模式之间具有方向不对称模式耦合，从而使两个环行模式具有不同响应特性的微腔结构。

2、为实现上述目的，本发明提供一种光计算芯片，包括光学输入模块、双向权重模块、光电探测模块以及控制标定模块。所述光学输入模块用于传输待计算数据的输入光信号，并将所述输入光信号耦合至所述双向权重模块；所述双向权重模块用于在两个相反传播方向上分别对所述输入光信号进行光学加权；所述双向光电探测模块用于分别探测两个传播方向上的加权光信号，获得第一加权累加结果和第二加权累加结果；所述控制标定模块用于接收与两个传播方向的目标权重对应的控制量。

3、所述光学输入模块包括第一方向输入端口和第二方向输入端口。所述第一方向输入端口用于沿第一传播方向将输入光信号耦合至所述双向权重模块，所述第二方向输入端口用于沿与所述第一传播方向相反的第二传播方向将输入光信号耦合至所述双向权重模块。

4、所述双向权重模块包括至少一个双向权重单元。每个双向权重单元包括双向耦合波导、与双向耦合波导耦合的微腔、非对称散射结构、与微腔耦合的可调sagnac干涉环以及一个权重调节结构。所述微腔支持沿两个相反方向环行的第一方向模式和第二方向模式。

5、所述非对称散射结构用于在第一方向模式和第二方向模式之间形成不相等的反向散射耦合。所述非对称散射结构能够设置于微腔腔壁、微腔与双向耦合波导之间的近场耦合区或与微腔耦合的辅助波导上，其几何参数在器件制备后保持不变，用于确定双向权重响应的方向差异基准。

6、所述可调sagnac干涉环包括分光耦合区、干涉臂和合光反馈区。由微腔耦出的光在分光耦合区分为两路，分别经第一干涉臂和第二干涉臂传播后重新合束并反馈至微腔。所述权重调节结构设置于至少一个干涉臂上，用于依据一个控制量改变两个干涉臂的相对相位。

7、当sagnac干涉环的相位延迟发生改变时，反馈光与非对称散射结构产生的散射光之间的相对相位随之改变。由于两个反向模式所对应的散射耦合系数不同，同一相位变化在第一传播方向和第二传播方向上形成不同的相干叠加结果，使第一方向透射系数和第二方向透射系数按照不同响应关系成对变化。

8、所述控制标定模块用于在权重调节结构的控制范围内进行一维扫描，同步测量第一方向透射系数和第二方向透射系数，并建立一个控制量至一个方向相关双向权重对的标定关系。各控制量对应的双向权重对构成可达权重对集合；控制标定模块根据目标差分权重或者从所述可达权重对集合选取的目标方向权重对确定控制量。

9、所述双向光学求和与探测模块包括第一方向探测支路和第二方向探测支路，分别用于汇聚并探测两个传播方向上的加权光信号。两个方向的探测结果能够作为相互关联的双向计算结果分别输出，也能够按照预设增益系数进行差分，以利用两个方向响应不同的特性表示正、负兼有的有效权重。

10、在阵列结构中，m×n个双向权重单元分别对应m×n个矩阵元素。第一传播方向的透射系数构成第一方向权重矩阵，第二传播方向的透射系数构成第二方向权重矩阵；两个方向权重矩阵中相同位置的元素由同一单元的同一控制量共同确定。

11、所述控制标定模块还能够根据实际双向权重响应与目标差分权重或目标方向权重对之间的误差进行闭环修正，并结合相邻单元的监测结果补偿制备偏差、热漂移、电学串扰和波长串扰。每个双向权重单元仍仅设置一个用于权重写入的主动相位调节结构。

12、与现有技术相比，本发明以固定的非对称散射结构提供方向不对称耦合，以可调sagnac干涉环中的一个相位调节结构改变干涉状态，在不设置额外权重调节结构的情况下获得方向相关双向权重；该结构减少了单元电极和驱动通道数量，便于高密度阵列布置，并适用于配对双向计算和差分有符号光计算。

1.一种基于手性微腔的光计算芯片，其特征在于，包括光学输入模块、双向权重模块、光电探测模块以及控制标定模块；所述双向权重模块包括至少一个双向权重单元，所述双向权重单元包括双向耦合波导、与所述双向耦合波导耦合的手性微腔、与所述手性微腔耦合的可调sagnac干涉环、非对称散射结构、权重调节结构；所述非对称散射结构用于在所述微腔的顺时针模式与逆时针模式之间形成非对称散射耦合，所述权重调节结构用于调节所述可调sagnac干涉环的相位延迟，以使同一所述微腔在两个相反传播方向上分别形成可设定的第一透射系数和第二透射系数；所述控制标定模块用于确定与第一目标权重和第二目标权重对应的控制量；所述光电探测模块用于分别汇聚并探测两个传播方向的加权光信号，获得第一加权累加结果和第二加权累加结果。

2.根据权利要求1所述的光计算芯片，其特征在于，所述可调sagnac干涉环包括分光耦合区、第一干涉臂、第二干涉臂以及合光反馈区，所述权重调节结构设置于第一干涉臂和第二干涉臂中的至少一个，以调节所述可调sagnac干涉环的相位延迟。

3.根据权利要求1或2所述的光计算芯片，其特征在于，所述非对称散射结构设置于所述微腔的腔壁或所述微腔与耦合波导的耦合区域，并被配置为使顺时针模式至逆时针模式的散射耦合与逆时针模式至顺时针模式的散射耦合不同。

4.根据权利要求1至3任一项所述的光计算芯片，其特征在于，所述权重调节结构包括热光调节器、载流子型电光调节器或基于pockels效应的电光调节器中的至少一种，用于改变所述可调sagnac干涉环中至少一个干涉臂的有效光程，以调节所述可调sagnac干涉环的相位延迟。

5.根据权利要求1至4任一项所述的光计算芯片，其特征在于，所述控制标定模块用于建立控制量与所述第一透射系数和第二透射系数之间的双向权重标定关系，并根据第一目标权重和第二目标权重确定对应的控制量。

6.根据权利要求1至5任一项所述的光计算芯片，其特征在于，所述双向权重模块包括m×n个所述双向权重单元，所述光学输入模块通过波分复用、空间复用、或其组合将n个输入数据加载至输入光信号；各双向权重单元的第一透射系数构成第一方向权重矩阵，各双向权重单元的第二透射系数构成第二方向权重矩阵。

7.根据权利要求1至6任一项所述的光计算芯片，其特征在于，所述光电探测模块包括平衡光电探测器；或者包括分别对应两个方向设置的第一光电探测器和第二光电探测器以及与二者连接的差分处理电路，用于对所述第一加权累加结果和第二加权累加结果进行差分，使所述双向权重单元的有效有符号权重由所述第一透射系数与第二透射系数的加权差表示。

8.根据权利要求1至7任一项所述的光计算芯片，其特征在于，所述控制标定模块包括控制器、驱动电路和对应两个传播方向设置的探测器，所述控制器用于根据两个传播方向的监测结果建立或更新所述双向权重标定关系，并根据目标权重与实际权重之间的误差修正所述控制量。

9.一种基于手性微腔的光计算方法，应用于权利要求1至8任一项所述的光计算芯片，其特征在于，包括：将待计算数据编码为输入光信号；根据双向权重标定关系确定与第一目标权重和第二目标权重对应的控制量；通过所述控制量调节可调sagnac干涉环的相位延迟，以改变sagnac反馈光与非对称散射结构产生的散射光之间的相干叠加关系，从而设定同一手性微腔在两个相反传播方向上的第一透射系数和第二透射系数；使所述输入光信号通过多个双向权重单元进行光学加权；分别汇聚和探测两个传播方向的输出光信号，获得第一加权累加结果和第二加权累加结果。

10.根据权利要求9所述的光计算方法，其特征在于，根据所述第一透射系数和第二透射系数分别构建第一方向权重矩阵和第二方向权重矩阵，以分别执行两个权重矩阵对应的矩阵—向量乘法；或者，对所述第一加权累加结果和第二加权累加结果进行差分，以获得有效有符号权重对应的矩阵—向量乘法结果。