本發(fā)明屬于集成光子器件領(lǐng)域，更具體地，涉及一種超緊湊光子張量計(jì)算芯片及設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、在信息技術(shù)和數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，隨著數(shù)據(jù)處理需求的不斷增長，尋找更高效、更快速的計(jì)算方法成為一個(gè)緊迫的任務(wù)。光子并行計(jì)算作為一種新興的技術(shù)，以其超高速度和低功耗的特點(diǎn)備受關(guān)注。然而，如何在保持計(jì)算精度和復(fù)雜度的同時(shí)，縮小器件尺寸并提高計(jì)算速率，是光子計(jì)算領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn)。

2、現(xiàn)有的光子并行計(jì)算技術(shù)多基于傳統(tǒng)的集成光學(xué)結(jié)構(gòu)，如多模干涉耦合器(mmi)、微環(huán)諧振器(mr)等，這些結(jié)構(gòu)雖然可行，但往往尺寸較大，并且難以同時(shí)處理多個(gè)計(jì)算任務(wù)。隨著超材料技術(shù)的發(fā)展，利用其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，可以設(shè)計(jì)出微米尺寸的光子并行計(jì)算器件，這為提高光子計(jì)算性能和集成度提供了可能。

3、然而，超材料在實(shí)際應(yīng)用中仍存在諸多挑戰(zhàn)，如設(shè)計(jì)復(fù)雜度高，對制造精度要求極高，以及計(jì)算模式的可重構(gòu)性和可擴(kuò)展性有限等。因此，需要一種新的設(shè)計(jì)和制造方法，以實(shí)現(xiàn)更緊湊、高性能和多功能的光子并行計(jì)算器件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種超緊湊光子張量計(jì)算芯片及設(shè)計(jì)方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中光子并行計(jì)算器件只能支持單通道運(yùn)算、難以并行處理多任務(wù)的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種超緊湊光子張量計(jì)算芯片，包括依次連接的m個(gè)輸入波導(dǎo)、轉(zhuǎn)換區(qū)域和n個(gè)輸出波導(dǎo)，其中m和n為正整數(shù)；每個(gè)輸出波導(dǎo)能夠支持q個(gè)模式，輸入張量為m個(gè)輸入波導(dǎo)輸入的一個(gè)光復(fù)振幅構(gòu)成的一個(gè)m維輸入張量信號，輸出張量為n個(gè)輸出波導(dǎo)輸出的q個(gè)光復(fù)振幅構(gòu)成的q個(gè)n維輸出張量信號，轉(zhuǎn)換區(qū)域用于執(zhí)行轉(zhuǎn)換函數(shù)進(jìn)行并行計(jì)算，以將m維輸入張量轉(zhuǎn)換為n維輸出張量；其中q為正整數(shù)；

3、所述轉(zhuǎn)換區(qū)域被劃分為x×y個(gè)同等大小的像素塊，其中x和y為正整數(shù)；每個(gè)像素塊的狀態(tài)分別為刻蝕狀態(tài)和非刻蝕狀態(tài)，刻蝕狀態(tài)為將像素塊的中心刻蝕為通孔，每個(gè)像素塊的狀態(tài)根據(jù)優(yōu)化算法確定，以使所述轉(zhuǎn)換區(qū)域的轉(zhuǎn)換函數(shù)趨近目標(biāo)轉(zhuǎn)換函數(shù)。通過在所述轉(zhuǎn)換區(qū)域形成一個(gè)特殊的通孔陣列結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)利用特定的優(yōu)化算法調(diào)整像素陣列排布，以實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。

4、優(yōu)選地，所述優(yōu)化算法為直接二值搜索算法或者伴隨法。

5、優(yōu)選地，所述輸入波導(dǎo)為基模波導(dǎo)，所述輸出波導(dǎo)為多模波導(dǎo)。

6、優(yōu)選地，所述像素塊中的通孔為圓形通孔。

7、優(yōu)選地，所述輸入波導(dǎo)的寬度和輸出波導(dǎo)的寬度為能夠確保輸入波導(dǎo)只支持1個(gè)模式，而輸出波導(dǎo)能夠支持q個(gè)模式的尺寸。

8、優(yōu)選地，所述輸出波導(dǎo)之間的間隔為1μm，以適應(yīng)特定的設(shè)計(jì)要求和功能性能。

9、優(yōu)選地，所述像素塊中的孔直徑為80nm～100nm，深度為120nm～200nm。

10、根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種超緊湊光子張量計(jì)算芯片的設(shè)計(jì)方法，該方法包括以下步驟：

11、(1)采用soi基片，在所述基片上形成m個(gè)輸入波導(dǎo)和n個(gè)多模波導(dǎo)；

12、(2)在所述基片上，將所述輸入波導(dǎo)和所述輸出波導(dǎo)之間的轉(zhuǎn)換區(qū)域分割為x×y個(gè)同等大小的像素塊；

13、(3)利用優(yōu)化算法，對每個(gè)像素塊進(jìn)行打孔處理以形成一個(gè)特定的通孔陣列結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用于并行光子計(jì)算。在優(yōu)化過程中，算法通過迭代調(diào)整通孔陣列的排布，處理m個(gè)輸入光波導(dǎo)的基模光復(fù)振幅構(gòu)成的m維輸入張量信號，并確保這些信號能夠轉(zhuǎn)換成n個(gè)輸出光波導(dǎo)輸出的q個(gè)高階模光復(fù)振幅構(gòu)成的q個(gè)n維輸出張量信號。迭代過程持續(xù)進(jìn)行，直至達(dá)到一個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)，該轉(zhuǎn)換函數(shù)滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，即能夠?qū)⑤斎霃埩啃盘柧_映射到輸出張量信號。

14、(4)經(jīng)過多次迭代后，將得到一個(gè)最優(yōu)的打孔陣列，用以實(shí)現(xiàn)的并行張量計(jì)算功能。

15、優(yōu)選地，所述輸入波導(dǎo)的寬度和輸出波導(dǎo)的寬度為能夠確保輸入波導(dǎo)只支持1個(gè)模式，而輸出波導(dǎo)能夠支持q個(gè)模式的尺寸。

16、優(yōu)選地，所述輸出波導(dǎo)之間的間隔為1μm，以適應(yīng)特定的設(shè)計(jì)要求和功能性能。

17、優(yōu)選地，所述像素塊中的孔直徑為80nm～100nm，深度為120nm～200nm。

18、通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具備以下有益效果：

19、(1)本發(fā)明的超緊湊光子張量計(jì)算芯片采用獨(dú)特設(shè)計(jì)，通過整合多個(gè)模式通道，實(shí)現(xiàn)了對單一輸入信號的多路并行計(jì)算，能夠針對任意復(fù)振幅轉(zhuǎn)換目標(biāo)進(jìn)行精確的張量計(jì)算與轉(zhuǎn)換。這一突破性技術(shù)不僅顯著提升了光子計(jì)算的并行處理能力，還在微米級尺寸的芯片上實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)處理，大幅度提高了光子計(jì)算芯片的集成度和性能。

20、(2)本發(fā)明的亞波長空氣孔陣列經(jīng)由優(yōu)化算法進(jìn)行精確排布，由于亞波長尺寸的空氣孔陣列的排布可以等效為一種非均勻緩變的折射率分布區(qū)域，其非均勻緩變的折射率分布功能效仿先進(jìn)的超材料特性，可以同時(shí)對輸入的一個(gè)基模張量進(jìn)行引導(dǎo)，轉(zhuǎn)換為輸出波導(dǎo)中的多個(gè)張量(對應(yīng)多個(gè)模式)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了多路并行計(jì)算的功能。

技術(shù)特征：

1.一種超緊湊光子張量計(jì)算芯片，其特征在于，包括依次連接的m個(gè)輸入波導(dǎo)、轉(zhuǎn)換區(qū)域和n個(gè)輸出波導(dǎo)；其中m和n為正整數(shù)；輸入張量為m個(gè)輸入波導(dǎo)輸入的一個(gè)光復(fù)振幅構(gòu)成的一個(gè)m維輸入張量信號，輸出張量為n個(gè)輸出波導(dǎo)輸出的q個(gè)光復(fù)振幅構(gòu)成的q個(gè)n維輸出張量信號，轉(zhuǎn)換區(qū)域用于執(zhí)行轉(zhuǎn)換函數(shù)進(jìn)行并行計(jì)算，以將m維輸入張量轉(zhuǎn)換為n維輸出張量；其中q為正整數(shù)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超緊湊光子張量計(jì)算芯片，其特征在于，所述優(yōu)化算法為直接二值搜索算法或者伴隨法。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超緊湊光子張量計(jì)算芯片，其特征在于，所述輸入波導(dǎo)為基模波導(dǎo)，所述輸出波導(dǎo)為多模波導(dǎo)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超緊湊光子張量計(jì)算芯片，其特征在于，輸入波導(dǎo)只支持1個(gè)模式，輸出波導(dǎo)支持q個(gè)模式。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超緊湊光子張量計(jì)算芯片，其特征在于，所述像素塊中的通孔為圓形通孔。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的超緊湊光子張量計(jì)算芯片，其特征在于，所述像素塊中的通孔直徑為80nm～100nm，深度為120nm～200nm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超緊湊光子張量計(jì)算芯片，其特征在于，所述輸出波導(dǎo)沿光的傳播方向并行排列，間隔為1μm。

8.一種如權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的超緊湊光子張量計(jì)算芯片的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)換區(qū)域通過如下步驟優(yōu)化得到：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種超緊湊光子張量計(jì)算芯片及設(shè)計(jì)方法，屬于集成光子器件領(lǐng)域。包括M個(gè)輸入波導(dǎo)和N個(gè)輸出波導(dǎo)，其中輸出波導(dǎo)支持Q個(gè)模式，在所述輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)之間具有X×Y個(gè)同等大小的像素塊組成的轉(zhuǎn)換區(qū)域；通過在像素塊內(nèi)進(jìn)行精確打孔，形成特殊的通孔陣列結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)利用優(yōu)化算法對像素陣列進(jìn)行排布，由于亞波長尺寸的空氣孔陣列的排布可以等效為一種非均勻緩變的折射率分布區(qū)域，可以同時(shí)對M個(gè)輸入波導(dǎo)中基模組成的輸入一個(gè)M維張量信號進(jìn)行引導(dǎo)，轉(zhuǎn)化為N個(gè)輸出端口中的Q個(gè)模式組成的Q個(gè)N維輸出張量信號，從而使得同一個(gè)的輸入信號能夠完成Q種不同的并行張量運(yùn)算。

技術(shù)研發(fā)人員：張敏明,王凱元,鄭爽
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9