本發(fā)明涉及光子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，尤其涉及一種基于單色散介質(zhì)實(shí)現(xiàn)不同階數(shù)矩陣運(yùn)算的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、光計(jì)算是使用光信號(hào)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算的技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的電計(jì)算，光計(jì)算的優(yōu)勢(shì)在于傳輸和計(jì)算速度快，帶寬大能耗低可并行傳輸，且不受電磁干擾，這些特性使得其在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)更加的高效。特別是在大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域，光計(jì)算顯示出巨大的潛力。光子卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(photonic?convolutionalneuralnetwork,pcnn)作為光計(jì)算領(lǐng)域一個(gè)重要的架構(gòu)，更是展現(xiàn)了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。由于矩陣乘加運(yùn)算的復(fù)雜性高，傳統(tǒng)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional?neural?network,cnn)在進(jìn)行矩陣乘加運(yùn)算時(shí)會(huì)占用大量的計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存資源。相較于傳統(tǒng)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(cnn)，光子卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(pcnn)具有存算一體，高速率和低功耗的特點(diǎn)。在進(jìn)行矩陣乘加運(yùn)算時(shí)相較于cnn有著天然優(yōu)勢(shì)。

2、目前對(duì)于光子矩陣乘加運(yùn)算已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，主流的光子矩陣乘加運(yùn)算中為了避免被調(diào)制后的光信號(hào)通過(guò)微環(huán)再通過(guò)多路復(fù)用器(mux)時(shí)產(chǎn)生混疊，通常的做法是在每個(gè)微環(huán)后加入光學(xué)延遲線。除此之外光學(xué)延遲線還可以實(shí)現(xiàn)以下功能：1、信號(hào)同步與整合：在處理來(lái)自不同輸入源或經(jīng)過(guò)不同處理步驟的信號(hào)時(shí)，延遲線可以幫助實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的同步，確保信號(hào)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)進(jìn)行整合和處理。2、實(shí)現(xiàn)時(shí)間卷積操作：在光子卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，卷積操作通常依賴(lài)于能夠在不同時(shí)間點(diǎn)處理數(shù)據(jù)的能力。延遲線通過(guò)提供時(shí)間偏移，允許網(wǎng)絡(luò)在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)同一個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)有效的時(shí)間卷積。3、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)范圍：通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中引入時(shí)間維度的處理能力，延遲線有助于增加網(wǎng)絡(luò)處理復(fù)雜動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力。

3、但光網(wǎng)絡(luò)延遲線也存在一些問(wèn)題比如：1、物理尺寸限制：實(shí)際的光子延遲線可能需要較長(zhǎng)的物理路徑長(zhǎng)度，這可能會(huì)增加設(shè)備的體積和復(fù)雜性。2、損耗問(wèn)題：在光信號(hào)傳輸過(guò)程中，尤其是在較長(zhǎng)的延遲線中，信號(hào)可能會(huì)經(jīng)歷損耗，影響信息的完整性和處理效率。3、制造成本：高質(zhì)量的光子延遲線的制造和維護(hù)成本可能相對(duì)較高,且系統(tǒng)的延遲線一旦設(shè)計(jì)好后便只能實(shí)現(xiàn)特定的時(shí)間延遲。

4、此外，現(xiàn)有光子矩陣乘加運(yùn)算過(guò)程中，光網(wǎng)絡(luò)延遲線對(duì)各個(gè)光信號(hào)的延時(shí)時(shí)長(zhǎng)是等間距的，在延時(shí)處理后還需要大量的變換和采集才能獲得最終的矩陣乘加運(yùn)算結(jié)果，這無(wú)疑造成了光子矩陣乘加運(yùn)算的時(shí)間浪費(fèi)，降低了計(jì)算效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題或者至少部分地解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于單色散介質(zhì)實(shí)現(xiàn)不同階數(shù)矩陣運(yùn)算的系統(tǒng)。

2、本發(fā)明提供了一種基于單色散介質(zhì)實(shí)現(xiàn)不同階數(shù)矩陣運(yùn)算的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

3、多波長(zhǎng)光源，用于產(chǎn)生多個(gè)具有不同波長(zhǎng)的初始光信號(hào)；

4、調(diào)制處理單元，用于將第一矩陣轉(zhuǎn)化為基于時(shí)序的第一矩陣電信號(hào)，并將第一矩陣電信號(hào)分別調(diào)制到各個(gè)初始光信號(hào)中，形成多路調(diào)制光信號(hào)；

5、微環(huán)陣列單元，包括順次排列的多個(gè)微環(huán)，每個(gè)微環(huán)的權(quán)重由第二矩陣中各元素的數(shù)值確定，每一微環(huán)分別耦合接入一路調(diào)制光信號(hào)，以為各路調(diào)制光信號(hào)加載不同的權(quán)重，獲得多個(gè)加權(quán)調(diào)制光信號(hào)；

6、單色散介質(zhì)單元，包括與順次排列的多個(gè)微環(huán)一一對(duì)應(yīng)的多個(gè)單色散介質(zhì)，各個(gè)單色散介質(zhì)分別接收與其對(duì)應(yīng)的微環(huán)輸出的加權(quán)調(diào)制光信號(hào)，對(duì)各個(gè)加權(quán)調(diào)制光信號(hào)分別進(jìn)行延時(shí)處理，獲得延時(shí)加權(quán)調(diào)制光信號(hào)，其中，各個(gè)單色散介質(zhì)的延時(shí)時(shí)長(zhǎng)根據(jù)其排列位數(shù)、第一矩陣的階數(shù)和第二矩陣的階數(shù)確定；

7、采集處理單元，用于將各個(gè)延時(shí)加權(quán)調(diào)制光信號(hào)整合到同一光路上得到復(fù)用光信號(hào)，并將復(fù)用光信號(hào)轉(zhuǎn)化為復(fù)用電信號(hào)，從所述復(fù)用電信號(hào)中提取出第三矩陣的數(shù)據(jù)信息，所述第三矩陣為第二矩陣對(duì)第一矩陣執(zhí)行卷積計(jì)算的計(jì)算結(jié)果。

8、進(jìn)一步地，所述每個(gè)微環(huán)的權(quán)重由第二矩陣各元素的數(shù)值確定包括：

9、根據(jù)目標(biāo)微環(huán)的排列位數(shù)確定與目標(biāo)微環(huán)對(duì)應(yīng)的第二矩陣中的目標(biāo)矩陣位置：

10、k＝(i-1)×n+j

11、其中，k為目標(biāo)微環(huán)的排列位數(shù)，n為第二矩陣的階數(shù)，i為第二矩陣目標(biāo)位置的行數(shù)，j為第二矩陣目標(biāo)位置的列數(shù)；

12、選取第二矩陣目標(biāo)位置處的元素的數(shù)值wij作為目標(biāo)微環(huán)的權(quán)重。

13、進(jìn)一步地，與目標(biāo)微環(huán)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)單色散介質(zhì)的延時(shí)時(shí)長(zhǎng)tk滿(mǎn)足如下計(jì)算公式：

14、tk＝[(n-i)×m+n-j]×δτ

15、其中，m為第一矩陣的階數(shù)，δτ為調(diào)制處理單元調(diào)制一位信號(hào)所用的時(shí)長(zhǎng)。

16、進(jìn)一步地，所述單色散介質(zhì)為基于鈮酸鋰材料的光纖布拉格光柵，所述單色散介質(zhì)單元還包括：

17、電控單元，用于通過(guò)調(diào)節(jié)作用于光纖布拉格光柵上的電壓控制光纖布拉格光柵的延時(shí)時(shí)長(zhǎng)；其中，

18、所述光纖布拉格光柵的延時(shí)時(shí)長(zhǎng)與作用于光纖布拉格光柵上的電壓u滿(mǎn)足如下計(jì)算公式：

19、

20、

21、其中，△n為光纖布拉格光柵折射率的變化值，l為光纖布拉格光柵的長(zhǎng)度，c為光在光纖上的傳輸速率，neff為光纖布拉格光柵的初始折射率，r為光纖布拉格光柵的電光系數(shù)，d為作用于光纖布拉格光柵的電極間距。

22、進(jìn)一步地，采集處理單元包括：

23、結(jié)果采集單元，用于分別在ts時(shí)刻起從所述復(fù)用電信號(hào)中順次采集p位采樣電信號(hào)，作為第三矩陣的第s行數(shù)據(jù)；

24、ts時(shí)刻滿(mǎn)足如下計(jì)算公式：

25、ts＝[(n-1)(m+1)+(s-1)m]·δτ

26、p滿(mǎn)足如下計(jì)算公式：

27、p＝m-n+1

28、其中，s＝1,2,...,p。

29、進(jìn)一步地，所述單色散介質(zhì)單元還包括：

30、溫控單元，用于控制單色散介質(zhì)單元中每一單色散介質(zhì)的溫度，以使各個(gè)單色散介質(zhì)的溫度保持穩(wěn)定。

31、進(jìn)一步地，所述采集處理單元還包括：

32、復(fù)用器，用于接收各個(gè)延時(shí)加權(quán)調(diào)制光信號(hào)，將各個(gè)延時(shí)加權(quán)調(diào)制光信號(hào)合并成一路復(fù)用光信號(hào)，以對(duì)不同延時(shí)加權(quán)調(diào)制光信號(hào)在同一時(shí)域上的光信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行求和處理；

33、光電探測(cè)器，用于將復(fù)用光信號(hào)轉(zhuǎn)換為初始模擬復(fù)用電信號(hào)；

34、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將初始模擬復(fù)用電信號(hào)轉(zhuǎn)換為初始數(shù)字復(fù)用電信號(hào)；

35、數(shù)字信號(hào)處理器，用于對(duì)各個(gè)初始數(shù)字復(fù)用電信號(hào)進(jìn)行失真補(bǔ)償，獲得數(shù)字復(fù)用電信號(hào)；

36、數(shù)模轉(zhuǎn)換器,用于將數(shù)字復(fù)用電信號(hào)轉(zhuǎn)化為用于執(zhí)行卷積計(jì)算結(jié)果的復(fù)用電信號(hào)。

37、進(jìn)一步地，數(shù)字信號(hào)處理器包括：

38、傅里葉變換模塊，用于對(duì)初始數(shù)字復(fù)用電信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，以將基于時(shí)域的初始數(shù)字復(fù)用電信號(hào)轉(zhuǎn)換為基于頻域的頻域電信號(hào)；

39、相位補(bǔ)償濾波器，用于對(duì)頻域電信號(hào)進(jìn)行相位補(bǔ)償獲得補(bǔ)償頻域電信號(hào)，其相位補(bǔ)償?shù)膫鬟f函數(shù)滿(mǎn)足如下計(jì)算公式：

40、

41、其中，f為偏移頻率，β2為系統(tǒng)的二階色散系數(shù)，β3為系統(tǒng)的三階色散系數(shù)；

42、逆變換模塊，用于對(duì)補(bǔ)償頻域電信號(hào)進(jìn)行傅里葉的逆變換，獲得基于時(shí)域的數(shù)字復(fù)用電信號(hào)。

43、進(jìn)一步地，調(diào)制單元包括：

44、波分復(fù)用器，用于接收初始光信號(hào)，并將各個(gè)初始光信號(hào)復(fù)用到同一光信號(hào)傳輸介質(zhì)上獲得一個(gè)波分復(fù)用光信號(hào)；

45、調(diào)制器，用于接收待第一矩陣電信號(hào)，并將所述第一矩陣電信號(hào)加載到所述波分復(fù)用光信號(hào)中，形成復(fù)用調(diào)制光信號(hào)；

46、解復(fù)用器，用于接收所述復(fù)用調(diào)制光信號(hào)，并根據(jù)波長(zhǎng)的不同將復(fù)用調(diào)制光信號(hào)解復(fù)用為多個(gè)具有不同波長(zhǎng)的調(diào)制光信號(hào)。

47、進(jìn)一步地，所述調(diào)制處理單元還包括：

48、輸入矩陣處理單元，用于對(duì)第一矩陣進(jìn)行扁平化處理，并根據(jù)第一矩陣各個(gè)元素的數(shù)值按照時(shí)序轉(zhuǎn)換成和其對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，形成第一矩陣電信號(hào)，并將所述第一矩陣電信號(hào)輸入調(diào)制器。

49、本發(fā)明提供的基于單色散介質(zhì)實(shí)現(xiàn)不同階數(shù)矩陣運(yùn)算的系統(tǒng)，利用單色散介質(zhì)單元對(duì)各個(gè)加權(quán)調(diào)制光信號(hào)進(jìn)行延時(shí)處理，使得在對(duì)各個(gè)延時(shí)加權(quán)調(diào)制光信號(hào)在同一時(shí)域上的光信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行求和處理后便可以獲得第二矩陣對(duì)第一矩陣執(zhí)行卷積計(jì)算的計(jì)算結(jié)果，大大提高了矩陣乘法運(yùn)算的計(jì)算效率，同時(shí)引入單色散介質(zhì)取代傳統(tǒng)光學(xué)延時(shí)線，有利于減小光計(jì)算集成系統(tǒng)的尺寸，并降低成本。