一种光计算设备的制作方法

1.本技术实施例涉及计算机领域，尤其是一种光计算设备。


背景技术：

2.矩阵运算是数字信号处理中最常见的一种运算，可以应用在不同的场景下。例如，在无线通信的大规模天线技术(massive multiple input multiple output，massive mimo)系统中，可以采用在发送端对信号预编码的方式，或者，采用在接收端对信号滤波的方式，来防止不同用户发出的信号之间发生干扰。发送端预编码和接收端滤波这两种方式本质上都是在做矩阵乘法运算。再例如，人工智能(artificial intelligence，ai)领域中经常应用的深度学习技术中涉及大量矩阵运算，卷积神经网络中的卷积运算也可以分解成向量和矩阵的乘加操作。不同场景下的矩阵运算均可以通过光学方法来实现。
3.光学向量-矩阵乘法器(optics vector-matrix multiplier，ovmm)，是一种利用光学方式进行向量-矩阵运算的光计算设备，在海量数据处理领域极具潜力。利用波分复用技术的光学向量-矩阵乘法器中，待计算的向量加载在多个不同波长的光信号上，通过波分复用器将该多个不同波长的光信号耦合进一根波导，再通过功分器(splitter)将耦合后的光信号平均分配到微环阵列。每一个微环都具有波长选择性，只对特定波长的光下载并调制。微环阵列上加载待计算的矩阵，检测微环阵列的各路输出就可以得到向量和矩阵相乘的结果。
4.然而，微环阵列中包括的微环是窄带器件，微环工作时所选择的波长的长度需要额外的电极来校准，校准过程较为复杂，且校准过程耗费的功耗较高。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供了一种光计算设备，本技术提供的光计算设备可以通过模分复用的方式来计算第一数据与第二数据的乘积，无需通过复杂的手段校准微环，且节约了校准微环的过程所耗费的功耗。
6.本技术第一方面提供一种光计算设备，该光计算设备中包括：分光组件，用于接收第一组光信号，并将接收的所述第一组光信号分成多个第二组光信号，其中，所述第一组光信号和所述第二组光信号用于指示待进行计算的第一组数据；多组调制器，每一组调制器包括多个调制器，每一组调制器中加载有待进行计算的第二组数据中的部分数据，所述每一组调制器用于接收一个所述第二组光信号，并输出第三组光信号；多个第一模式复用器，所述多个第一模式复用器中的每个第一模式复用器连接所述多组调制器中的一组调制器，每个第一模式复用器用于接收所述第三组光信号，并输出一个光信号，其中，所述多个第一模式复用器输出的多个光信号用于指示所述第一组数据与所述第二组数据的乘积。
7.本技术提供了一种光计算设备，光计算设备将待计算的第一数据加载在第一组光信号上，第一组光信号包括多个不同模式的光信号。然后，分光组件将第一组光信号分成多个第二组光信号。再通过加载有第二数据的部分数据的调制器调整第二组光信号的光强之
后输出第三组光信号，第一模式复用器接收第三组光信号并输出一个光信号，多个第一模式复用器输出的多个光信号指示了第一组数据与第二组数据的乘积。本技术提供的光计算设备可以通过模分复用的方式来计算第一数据与第二数据的乘积，由于分光组件、调制器以及模式复用器工作时所需的功耗较低，从而本发明实施例提供的光计算设备能够节省计算功耗。
8.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述分光组件包括：第二模式复用器，用于接收所述第一组光信号，并根据所述第一组光信号输出第一光信号；至少一个功分器，用于将所述第一光信号分成多个第二光信号，其中，所述多个第二光信号中的每一个第二光信号用于指示所述第一组数据；多个模式解复用器，每个所述模式解复用器用于接收一个所述第二光信号，并根据接收的所述第二光信号获得所述第二组光信号。
9.该种可能的实现方式中，假设第一数据为向量x，第二数据为矩阵w。若分光组件包括一个功分器，第二模式复用器的输出端连接该功分器的输入端，该功分器的输出端连接多个模式解复用器的输入端，多个模式解复用器中的每个模式解复用器的输出端连接多组调制器中的一组调制器的输入端。第二模式复用器将向量x(第一组光信号)中多个不同模式的光信号x1至xn耦合进一根波导后输入功分器，功分器可以将接收到的光信号分为功率均等的m个部分后分别输入m个模式解复用器，每一个模式解复用器将接收到的光信号解耦为多个不同模式的光信号x1至xn。进而，各模式解复用器将解耦之后的光信号输入与之连接的调制器。该种可能的实现方式采用一个功分器将第一光信号分成多个第二光信号，根据第二光信号得到第二组光信号，相比于采用多个功分器分光的方式节约了成本，并且缩减了分光组件在光计算设备中占用的空间。
10.该种可能的实现方式中，假设第一数据为向量x，第二数据为矩阵w。若分光组件包括多个功分器，第二模式复用器的输出端连接功分器1的输入端，功分器1的输出端连接功分器2的输入端和模式解复用器1的输入端。同理，功分器2至功分器m-1相连接，且功分器2至功分器m-2的输出端对应连接模式解复用器2至模式解复用器m-2的输入端。功分器m-1的输出端连接模式解复用器m-1的输入端与模式解复用器m的输入端。第二模式复用器将向量x(第一组光信号)中多个不同模式的光信号x1至xn耦合进一根波导后输入功分器1，功分器1可以按照1：m-1的功率比将接收到的光信号分为两部分，将比例为1的一部分光信号输入模式解复用器1，比例为m-1的一部分光信号输入功分器2。同理，功分器2可以按照1：m-2的功率比将接收到的光信号分为两部分，将比例为1的一部分光信号输入模式解复用器2，比例为m-2的一部分光信号输入功分器3。功分器3至功分器m-2中光信号的划分方式与功分器1与功分器2中光信号的划分方式相类似，具体此处不做赘述。功分器m-1可以按照1：1的功率比将接收到的光信号分为两部分后分别输入模式解复用器m-1与模式解复用器m。通过功分器1至功分器m-1可以将第二模式复用器输出的耦合后的光信号分为功率均等的m个部分后分别输入m个模式解复用器，每一个模式解复用器将接收到的光信号解耦为多个不同模式的光信号x1至xn。进而，各模式解复用器将解耦之后的光信号输入与之连接的调制器。该种可能的实现方式采用多个功分器将第一光信号分成多个第二光信号，根据第二光信号得到第二组光信号。相比于采用一个功分器分光的方式节，该种实现方式可以自由地调节各个功分器的分光比，根据不同需求更加灵活地配置输入各个模式解复用器的第二光信号的功率，提升了光计算设备中包括的分光组件的灵活性。
11.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第二模式复用器的输出端连接至少一个功分器的输入端；所述至少一个功分器中的每个功分器的输出端连接所述多个模式解复用器中的至少一个模式解复用器的输入端；所述多个模式解复用器中的每个模式解复用器的输出端连接所述多组调制器中的一组调制器的输入端。
12.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述调制器包括光强调制器或相位调制器。
13.该种可能的实现方式中，光计算设备中包括的调制器可以是光强调制器，光计算设备中包括的调制器也可以是相位调制器，光计算设备中包括的调制器还可以是其他类型的调制器，具体此处不做限定。
14.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述调制器包括有源调制器或无源调制器。
15.该种可能的实现方式中，调制器能够调节对光信号的透射率，相当于对输入光功率做乘法。可选的，调制器可以是有源调制器，调制器还可以是无源调制器，具体此处不做限定。有源调制器的透射率可通过外部持续施加的电信号来控制，可以随时切换有源调制器上加载的数据，能够计算不同向量与不同矩阵之间的乘积。无源调制器上加载的数据初始化完成后，即使切断电源也不会改变，光计算设备工作时无源调制器作为被动器件，没有功耗，进而降低了光计算设备整体的功耗。
16.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述有源调制器包括基于热调的调制器、基于电致吸收效应的调制器或基于电泵光放大效应的调制器。
17.该种可能的实现方式提供了多种有源调制器的实现方式。
18.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述无源调制器包括相变材料。
19.该种可能的实现方式提供了一种无源调制器的实现方式。
20.在第一方面的一种可能的实现方式中，所述功分器包括y型分支功分器、多模干涉耦合器或定向耦合器。
21.该种可能的实现方式提供了多种功分器的实现方式。
22.本技术第二方面提供一种光计算设备，该光计算设备中包括：多个调制器，用于接收第一组光信号，并根据所述第一组光信号输出第二组光信号，其中，所述第一组光信号包括多个模式不同的光信号，所述第一组光信号用于指示待计算的第一组数据，所述多个调制器上加载有待进行计算的第二组数据；模式复用器，用于接收所述第二组光信号，并根据所述第二组光信号获得第三光信号，其中，所述第三光信号用于指示所述第一组数据和所述第二组数据的乘积。
23.本技术提供了一种光计算设备，光计算设备中包括的多个调制器接收第一组光信号，并根据第一组光信号输出第二组光信号。其中，第一组光信号包括多个模式不同的光信号，第一组光信号用于指示待计算的第一组数据，多个调制器上加载有待进行计算的第二组数据。光计算设备中包括的模式复用器接收第二组光信号，并根据第二组光信号获得用于指示第一组数据和第二组数据的乘积的第三光信号。本技术提供的光计算设备可以通过模分复用的方式来计算第一数据与第二数据的乘积，无需通过复杂的手段校准微环，且节约了校准微环的过程所耗费的功耗。
24.在第二方面的一种可能的实现方式中，所述模式复用器的输入端连接所述多个调
制器中所有调制器的输出端。
25.在第二方面的一种可能的实现方式中，所述调制器包括有源调制器或无源调制器。
26.该种可能的实现方式中，调制器能够调节对光信号的透射率，相当于对输入光功率做乘法。可选的，调制器可以是有源调制器，调制器还可以是无源调制器，具体此处不做限定。有源调制器的透射率可通过外部持续施加的电信号来控制，可以随时切换有源调制器上加载的数据，能够计算不同向量与不同矩阵之间的乘积。无源调制器上加载的数据初始化完成后，即使切断电源也不会改变，光计算设备工作时无源调制器作为被动器件，没有功耗，进而降低了光计算设备整体的功耗。
27.在第二方面的一种可能的实现方式中，所述有源调制器包括基于热调的调制器、基于电致吸收效应的调制器或基于电泵光放大效应的调制器。
28.该种可能的实现方式提供了多种有源调制器的实现方式。
29.在第二方面的一种可能的实现方式中，所述无源调制器包括相变材料。
30.该种可能的实现方式提供了一种无源调制器的实现方式。
31.在第二方面的一种可能的实现方式中，其特征在于，所述功分器包括y型分支功分器、多模干涉耦合器或定向耦合器。
32.该种可能的实现方式提供了多种功分器的实现方式。
附图说明
33.图1是本技术提供的光计算设备的一结构示意图；
34.图2是本技术提供的光计算设备的另一结构示意图；
35.图3是本技术提供的光计算设备的另一结构示意图；
36.图4是本技术提供的光计算设备的一实施例示意图；
37.图5是本技术提供的第二模式复用器以及模式解复用器的一结构示意图；
38.图6是本技术提供的光计算设备的一工作流程示意图；
39.图7是本技术提供的光计算设备的另一工作流程示意图；
40.图8是本技术提供的光计算设备中包括的功分器的一结构示意图；
41.图9是本技术提供的光计算设备的另一结构示意图。
具体实施方式
42.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本技术的实施例进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员可知，随着新应用场景的出现，本技术提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。
43.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或
模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。在本技术中出现的对步骤进行的命名或者编号，并不意味着必须按照命名或者编号所指示的时间/逻辑先后顺序执行方法流程中的步骤，已经命名或者编号的流程步骤可以根据要实现的技术目的变更执行次序，只要能达到相同或者相类似的技术效果即可。
44.矩阵运算是数字信号处理中最常见的一种运算，具有广泛的应用。例如，在mimo系统中，可以采用在发送端对信号预编码的方式，或者，采用在接收端对信号滤波的方式，来防止不同用户发出的信号之间发生干扰。发送端预编码和接收端滤波本质上都是在做矩阵乘法运算。再例如，ai领域中经常应用的深度学习技术中涉及大量矩阵运算，卷积神经网络中的卷积运算也可以分解成向量和矩阵的乘加操作。不同场景下的矩阵运算均可以通过光学方法来实现。
45.可选的，通信中的预编码矩阵和滤波矩阵在一定时间内可以是固定不变的，深度学习训练完以后矩阵也可以是固定下来的，这一类矩阵的运算可以采用光学方法来实现。光学向量-矩阵乘法器是一种利用光学方式进行向量-矩阵运算的光学装置，在海量数据处理领域极具潜力。在光学向量-矩阵乘法器中，若采用非易失器件来表示矩阵部分的数据，可以大幅降低计算设备的功耗，且光学向量-矩阵乘法器的数据处理速度较快，计算速度仅受限于探测器的响应频率。
46.下面将结合本技术中的附图，对本技术中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。下面几个具体实施例可以相互结合，对于相同或相似的内容，在不同的实施例中不再进行赘述。还需说明的是，本技术提供的附图中所示出的各种部件的长度、宽度、高度(或厚度)仅为示例性说明，并非对本技术的光计算设备的限定。
47.图1是本技术提供的光计算设备的一结构示意图。
48.请参阅图1，本技术提供的光计算设备包括分光组件101、多组调制器102以及多个第一模式复用器103。
49.分光组件101用于接收第一组光信号，并将接收的第一组光信号分成多个第二组光信号，其中，第一组光信号和第二组光信号用于指示待进行计算的第一组数据。
50.光计算设备包括多组调制器102，每一组调制器102包括多个调制器102，每一组调制器102中加载有待进行计算的第二组数据中的部分数据，每一组调制器102用于接收一个第二组光信号，并输出第三组光信号。
51.光计算设备包括多个第一模式复用器103，多个第一模式复用器103中的每个第一模式复用器103连接多组调制器102中的一组调制器102，每个第一模式复用器103用于接收第三组光信号，并输出一个光信号，其中，多个第一模式复用器103输出的多个光信号用于指示第一组数据与第二组数据的乘积。
52.本技术中，光计算设备中包括的调制器可以是光调制器，具体可以包括光强调制器、相位调制器或其他类型的光调制器，具体此处不做限定。其中，光强调制器是使光强按一定规律变化的光调制器。相位调制器是使光的相位按一定规律变化的光调制器。
53.本技术中，第一组光信号中包括多个具有不同功率的光信号，不同功率的光信号分别加载有不同的数据。本技术中，示例性的，若光计算设备对向量x与矩阵w做乘法运算，则待计算的第一数据为向量x，向量x的具体表示为x＝[x1,x2,
…
,xn]
t
。待计算的第二数据
为矩阵w，矩阵w的具体表示为：
[0054][0055]
第一组光信号中可以加载向量x中的数据，第一组光信号中包括的n个不同功率的光信号分别表示向量x中x1至xn的值。分光组件101将第一组光信号分成多个第二组光信号，第二组光信号所表示的数据同样为向量x。实际应用中，第二组光信号的功率可以比所述第一组光信号的功率小，但第二组光信号所表示的数据与第一组光信号所表示的数据相同。
[0056]
每一组调制器102中加载有矩阵w中的部分数据。例如，第一组调制器102中加载有矩阵w中的第一行数据w
1,1
至w
1,n
，第m-1组调制器102中加载有矩阵w中的第m-1行数据w
m-1,1
至w
m-1,n
,第m组调制器102中加载有矩阵w中的第m行数据w
m,1
至w
m,n
。m组调制器102加载了矩阵w中所有的数据。
[0057]
分光组件101将多个第二组光信号分别输入至多组调制器102，多组调制器102调整接收到的第二组光信号的光强，得到多组第三光信号。例如，分光组件101将第二组光信号输入至第一组调制器102，光信号x1输入加载有矩阵数据w
1,1
的调制器102，该调制器102调整x1的光强后输出第三光信号。即相当于x1与w
1,1
做了一次乘法运算，第三光信号便是乘法运算的结果。同理，光信号x2至xn输入加载有矩阵数据w
1,1
至w
1,n
的调制器102，多个调制器102分别调整x1至xn的光强，得到多个第三光信号。第一组调制器102输出第一组第三光信号，第一组第三光信号即表示向量x与矩阵w中第一行数据的乘积。同理可知，第二组第三光信号至第m组第三光信号即表示向量x与矩阵w中第二行至第m行数据的乘积。
[0058]
第一模式复用器103接收第三组光信号，并输出一个光信号。例如，第一模式复用器103接受到第一组调制器102输出的第一组第三光信号，第一模式复用器103将多个模式相同功率不同的第三光信号转化为多个模式不同功率不同的光信号后耦合进一根波导，即相当于第一模式复用器103对第一组第三光信号做加法运算，该波导输出耦合后的光信号，得到第一组第三光信号相加之后的结果y1。同理可知，多个第一模式复用器103可以根据多组第三光信号输出y2至yn。光计算设备计算得出向量y，向量y的具体表示为y＝[y1,y2,
…
,ym]＝wx/m,向量y与向量x和矩阵w之间的乘积成正比，根据向量y即可得出向量x和矩阵w之间的乘积。
[0059]
本技术中提到的模式是指空间模式。空间模式(横模)是指垂直于传播方向上某一横截面上的光强分布。空间模式还可以理解为光在波导中的“形状”。
[0060]
本技术中，分光组件可以包括第二模式复用器104、至少一个功分器105以及多个模式解复用器106。
[0061]
第二模式复用器104的输入端连接信号源，信号源将第一组光信号输入第二模式复用器104。第二模式复用器104的输出端连接至少一个功分器105的输入端。至少一个功分器105中的每个功分器105的输出端连接多个模式解复用器106中的至少一个模式解复用器106的输入端。多个模式解复用器106中的每个模式解复用器106的输出端连接多组调制器102中的一组调制器102的输入端。
[0062]
本技术中，第二模式复用器104用于接收第一组光信号，并根据第一组光信号输出第一光信号。至少一个功分器105用于将第一光信号分成多个第二光信号，其中，多个第二
光信号中的每一个第二光信号用于指示第一组数据。每个模式解复用器106用于接收一个第二光信号，并根据接收的第二光信号获得第二组光信号。
[0063]
本技术中提供的光计算设备中包括的分光组件可以采用多种不同的方式根据第一组光信号得到第二组光信号，具体的分光方式将在下面的实施例中进行详细说明。
[0064]
图2是本技术提供的光计算设备的另一结构示意图。
[0065]
请参阅图2，示例性的，若分光组件101包括一个功分器105，第二模式复用器104的输入端连接信号源，信号源将第一组光信号输入第二模式复用器104。第二模式复用器104的输出端连接该功分器105的输入端，该功分器105的输出端连接多个模式解复用器106的输入端，多个模式解复用器106中的每个模式解复用器106的输出端连接多组调制器102中的一组调制器102的输入端。第二模式复用器104将向量x(第一组光信号)中多个模式相同但功率不同的光信号x1至xn转化为多个模式不同且功率不同的光信号后耦合进一根波导输入功分器105，功分器105可以将接收到的光信号分为功率均等的m个部分后分别输入m个模式解复用器106，每一个模式解复用器106将接收到的模式不同且功率不同的光信号解耦为多个模式相同但功率不同的光信号x1至xn。进而，各模式解复用器106将解耦之后的光信号输入与之连接的调制器102。
[0066]
图3是本技术提供的光计算设备的另一结构示意图。
[0067]
请参阅图3，示例性的，若分光组件包括多个功分器105，第二模式复用器104的输入端连接信号源，信号源将第一组光信号输入第二模式复用器104。第二模式复用器104的输出端连接功分器1的输入端，功分器1的输出端连接功分器2的输入端和模式解复用器1的输入端。同理，功分器2至功分器m-1相连接，且功分器2至功分器m-2的输出端对应连接模式解复用器2至模式解复用器m-2的输入端。功分器m-1的输出端连接模式解复用器m-1的输入端与模式解复用器m的输入端。第二模式复用器104将向量x(第一组光信号)中多个模式相同但功率不同的光信号x1至xn转化为多个模式不同且功率不同的光信号后耦合进一根波导输入功分器1，功分器1可以按照1：m-1的功率比将接收到的光信号分为两部分，将比例为1的一部分光信号输入模式解复用器1，比例为m-1的一部分光信号输入功分器2。同理，功分器2可以按照1：m-2的功率比将接收到的光信号分为两部分，将比例为1的一部分光信号输入模式解复用器2，比例为m-2的一部分光信号输入功分器3。功分器3至功分器m-2中光信号的划分方式与功分器1与功分器2中光信号的划分方式相类似，具体此处不做赘述。功分器m-1可以按照1：1的功率比将接收到的光信号分为两部分后分别输入模式解复用器m-1与模式解复用器m。通过功分器1至功分器m-1可以将第二模式复用器104输出的耦合后的光信号分为功率均等的m个部分后分别输入m个模式解复用器106，每一个模式解复用器106将接收到的模式不同且功率不同的光信号解耦为多个模式相同但功率不同的光信号x1至xn。进而，各模式解复用器106将解耦之后的光信号输入与之连接的调制器102。
[0068]
本技术中，图2所对应的实施例中所阐述的分光组件101包括一个功分器105，该功分器105连接多个模式解复用器106。而图3所对应的实施例中所阐述的分光组件101包括多个功分器105，每个功分器105连接一个模式解复用器106。实际应用中，分光组件101可以采用图2所示的方式来进行分光，也可以采用图3所示的方式进行分光，可以采用图2、图3相结合的方式来进行分光，也可以采用其他方式来进行分光，具体此处不做限定。
[0069]
图4是本技术提供的光计算设备的一实施例示意图。
[0070]
请参阅图4，示例性的，若光计算设备对向量x与矩阵w做乘法运算，则待计算的第一数据为向量x，向量x的具体表示为x＝[x1,x2,x3]
t
。待计算的第二数据为矩阵w，矩阵w的具体表示为：
[0071][0072]
首先，第一组光信号中可以加载向量x中的数据，将x1，x2，x3调制到te0模式下不同功率的三个光信号上。
[0073]
第二模式复用器104将x1、x2、x3耦合进一根波导传输至功分器1，功分器1可以按照1：2的功率比将接收到的光信号分为两部分，将比例为1的一部分光信号输入模式解复用器1，比例为2的一部分光信号输入功分器2。功分器2可以按照1：1的功率比将接收到的光信号分为两部分后分别输入模式解复用器2与模式解复用器3。模式解复用器1、模式解复用器2以及模式解复用器3将接收到的光信号解耦为x1、x2、x3后分别输入第一组调制器、第二组调制器以及第三组调制器。
[0074]
矩阵w被加载到9个调制器上。第一组调制器中加载有矩阵w中的第一行数据w
1,1
、w
1,2
、w
1,3
，第二组调制器中加载有矩阵w中的第二行数据w
2,1
、w
2,2
、w
2,3
，第三组调制器中加载有矩阵w中的第三行数据w
3,1
、w
3,2
、w
3,3
。第一组调制器接收到输入的x1、x2、x3后调整x1、x2、x3的光强，即计算x1与w
1,1
、x2与w
1,2
、x3与w
1,3
的乘积，第一模式复用器1将三个乘积结果做和后输出y1。同理可知，第一模式复用器2输出y2，第一模式复用器3输出y3。y1、y2、y3分别表示向量x与矩阵w中第一行、第二行、第三行数据的乘积。
[0075]
最后，探测y1，y2，y3的值，当不考虑误差、损耗等因素时，理论上，
[0076]
y1＝(x1*w
1,1
x2*w
1,2
x3*w
1,3
)/3
[0077]
y2＝(x1*w
2,1
x2*w
2,2
x3*w
2,3
)/3
[0078]
y3＝(x1*w
3,1
x2*w
3,2
x3*w
3,3
)/3
[0079]
光计算设备计算得出向量y，向量y的具体表示为y＝[y1，y2,，y3]＝wx/3,向量y与向量x和矩阵w之间的乘积成正比，根据向量y即可得出向量x和矩阵w之间的乘积。
[0080]
本技术中，本技术中提供的第二模式复用器104是将多个相同模式的光信号转化为不同的模式的光信号并耦合进一根波导或光纤(n输入1输出)的器件，同理，模式解复用器106是一种将一束多个不同的模式的光信号转化解耦为多个相同模式的光信号(1输入n输出)的器件。第二模式复用器104与模式解复用器106两者本质上是同一种器件，把第二模式复用器104的输入和输以得到模式解复用器106。
[0081]
图5是本技术提供的光计算设备中包括的第二模式复用器以及模式解复用器的一实施例示意图。
[0082]
请参阅图5，第二模式复用器与模式解复用器的设计方式有很多种，图5只是一个示例。以图5中的第二模式复用器104为例进行说明，x1、x2、x3、x4是模式均为te0的四个光信号。将x1、x2、x3、x4分别从不同的输入端输入第二模式复用器104，其中，x4直接输入波导，第一耦合器将te0模式的x3转化为te1模式后耦合至信号x4所在波导，第二耦合器将te0模式的x2转化为te2模式后耦合至信号x4所在波导，第三耦合器将te0模式的x1转化为te4模式后耦合至信号x4所在波导。最终波导中传输不同模式下的x1、x2、x3、x4。模式解复用器106和第一
模式复用器103的工作原理与第二模式复用器104的工作原理相类似，具体此处不做赘述。
[0083]
本技术中提供的光计算设备中包括的调制器102具有不同的实现方式，具体的实现方式将在下面的实施例中进行详细说明。
[0084]
本技术中，调制器是一种利用外加信号调节光功率的器件。调制器能够调节对光信号的透射率，相当于对输入光功率做乘法。可选的，调制器可以是有源调制器，调制器还可以是无源调制器，具体此处不做限定。有源调制器的透射率可通过外部持续施加的电信号来控制，可以随时切换有源调制器上加载的数据，但能耗较高。无源调制器上加载的数据初始化完成后，即使切断电源也不会改变，光计算设备工作时无源调制器作为被动器件，没有功耗。
[0085]
(1)若调制器为有源调制器，则每一组调制器上加载的数据可以进行调整。
[0086]
图6是本技术提供的光计算设备的一工作流程示意图。
[0087]
请参阅图6，若光计算设备中包括的调制器为有源调制器时，光计算设备的工作流程如图6所示。
[0088]
当运算过程中需要不断改变矩阵w的值时，调制器必须是有源调制器。
[0089]
201、输入x，加载w。
[0090]
本技术中，光计算设备中可以输入不同的向量x，调制器可以在电信号的控制下加载不同的矩阵w，以便实现对不同的向量x与不同的矩阵w做乘法运算。
[0091]
202、检测y。
[0092]
本技术中，探测输出结果向量y即可得到不同的向量x与不同的矩阵w之间的乘积。可选的，有源调制器可以是基于热调的调制器，有源调制器可以是基于电致吸收效应的调制器，有源调制器可以是基于电泵光放大效应的调制器，有源调制器还可以是其他类型的有源调制器，具体此处不做限定。
[0093]
(2)若调制器为无源调制器，则每一组调制器上加载的数据无法进行调整。
[0094]
图7是本技术提供的光计算设备的另一工作流程示意图。
[0095]
请参阅图7，若光计算设备中包括的调制器为无源调制器时，光计算设备的工作流程如图7所示。
[0096]
301、预加载w。
[0097]
本技术中，当运算过程中无需改变矩阵w的值时，可选的，调制器可以是有源调制器，调制器也可以是无源调制器，具体此处不做限定。若调制器为无源调制器，光计算设备中的无源调制器上预加载有矩阵w。
[0098]
302、输入向量x。
[0099]
本技术中，光计算设备中输入不同的向量x，以便实现对不同的向量x与矩阵w做乘法运算。
[0100]
303、检测y。
[0101]
本技术中，探测输出结果向量y即可得到不同的向量x与矩阵w之间的乘积。若调制器为无源调制器，无源调制器可以是相变材料，无源调制器还可以是其他类型的无源调制器，具体此处不做限定。
[0102]
本技术中提供的光计算设备中包括的功分器具有不同的实现方式，具体的实现方式将在下面的实施例中进行详细说明。
[0103]
本技术中，功分器是一种对输入光信号按照一定的功率比(1分n)进行分配的器件，功分器分配后的多束光信号分别进入不同的波导或光纤。可选的，功分器可以是y型分支功分器，功分器可以是多模干涉耦合器，功分器可以是定向耦合器，功分器还可以是其他类型的功分器，具体此处不做限定。
[0104]
图8是本技术提供的光计算设备中包括的功分器的一结构示意图。
[0105]
请参阅图8，为了功分器能够实现对多个模式的光信号的分光以及分光比可调等功能，功分器可以采用如图8所示的特殊设计方式。图8是一种1输入2输出的功分器的实施方式，光信号从左侧入射，通过在波导中嵌入一个倾斜的亚波长光栅，该光栅能够实现半反射半透射的效果，反射光和透射光的比例可由光栅的参数调节，光栅在一定范围内对波长和模式不敏感。
[0106]
本技术中，多模波导中所传输光信号的模式太多时会增加多模波导的设难度，为了实现大规模的向量与矩阵之间的运算，可以将波分复用技术和模分复用技术相结合来计算向量与矩阵的乘积。
[0107]
本技术提供了一种光计算设备，光计算设备将待计算的第一数据加载在第一组光信号上，第一组光信号包括多个不同功率的光信号。然后，分光组件将第一组光信号分成多个第二组光信号。再通过加载有第二数据的部分数据的调制器调整第二组光信号的光强之后输出第三组光信号。第一模式复用器接收第三组光信号并输出一个光信号，多个第一模式复用器输出的多个光信号指示了第一组数据与第二组数据的乘积。本技术提供的光计算设备可以通过模分复用的方式来计算第一数据与第二数据的乘积，分光组件、调制器以及模式复用器工作时所需的功耗较低，从而使光计算设备节约了计算第一数据与第二数据的乘积所需要的功耗。
[0108]
图9是本技术提供的光计算设备的另一结构示意图。
[0109]
请参阅图9，本技术提供的光计算设备包括多个调制器401以及模式复用器402。
[0110]
多个调制器401，用于接收第一组光信号，并根据所述第一组光信号输出第二组光信号，其中，所述第一组光信号包括多个模式不同的光信号，所述第一组光信号用于指示待计算的第一组数据，所述多个调制器401上加载有待进行计算的第二组数据。
[0111]
模式复用器，用于接收所述第二组光信号，并根据所述第二组光信号获得第三光信号，其中，所述第三光信号用于指示所述第一组数据和所述第二组数据的乘积。
[0112]
示例性的，若光计算设备对向量x与向量w做乘法运算，则待计算的第一数据为向量x，向量x的具体表示为x＝[x1,x2…
xn]
t
。待计算的第二数据为向量w，向量w的具体表示为w＝[w1,w2…
wn]。
[0113]
第一组光信号中可以加载向量x中的数据，将x1，x2…
xn分别调制到多个模式均为te0功率均不相同的n个的光信号上。向量w被加载到多个调制器401上。多个调制器401中加载有向量w中的数据w1、w2、
…
wn。多个调制器401接收到输入的x1、x2…
xn后调整x1、x2…
xn的光强，即计算x1与w
1,1
、x2与w
1,2
、
…
xn与wn的乘积，模式复用器将多个乘积结果做和后输出y，y的值便是向量x与向量w的乘积结果。
[0114]
本实施例中，调制器401以及模式复用器402的类型与上述图1至图8所阐释的实施例中提供的调制器102与第二模式复用器104相类似，具体此处不再赘述。
[0115]
本技术提供了一种光计算设备，光计算设备中包括的多个调制器接收第一组光信
号，并根据第一组光信号输出第二组光信号。其中，第一组光信号包括多个模式不同的光信号，第一组光信号用于指示待计算的第一组数据，多个调制器上加载有待进行计算的第二组数据。光计算设备中包括的模式复用器接收第二组光信号，并根据第二组光信号获得用于指示第一组数据和第二组数据的乘积的第三光信号。本技术提供的光计算设备可以通过模分复用的方式来计算第一数据与第二数据的乘积，由于分光组件、调制器以及模式复用器工作时所需的功耗较低，从而本发明实施例提供的光计算设备能够节省计算功耗。
[0116]
以上对本技术实施例所提供的光计算设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。