專利名稱：一種硅基集成化的光學向量-矩陣乘法器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用集成光學方式實現(xiàn)的向量-矩陣乘法器，特別涉及一種用 硅基納米線微環(huán)諧振器實現(xiàn)的光學向量-矩陣乘法器。
背景技術(shù)：
CPU作為應(yīng)用最廣泛的微處理器，是個人電腦、服務(wù)器、工作站和巨 型機中最重要的功能單元。CPU的內(nèi)核主要分為運算器和控制器兩部分。 運算器包括算術(shù)邏輯單元ALU (Arithmetic and Logic Unit)、浮點運算單 元FPU (Floating Point Unit)、通用寄存器組和專用寄存器組。其中，ALU 主要完成二進制數(shù)據(jù)的定點算術(shù)運算(加、減、乘、除)，邏輯運算(與、 或、非、異或)以及移位操作，它由兩個輸入端和一個輸出端組成。我們 通常所說的"CPU是xx位的"就是指ALU—次所能處理的數(shù)據(jù)的位數(shù)。Intd 公司生產(chǎn)的世界上第一塊CPU 4004是4位的；而目前Intel公司和AMD 公司推出的個人電腦用CPU己經(jīng)是64位的了。與ALU用作基本的定點 與邏輯運算不同，F(xiàn)PU主要負責浮點運算和高精度整數(shù)運算，有些FPU 還具有向量運算的功能，或者有專門的向量處理單元。早期的FPU是一塊 獨立于CPU的芯片，作為CPU的協(xié)處理器，當需要執(zhí)行浮點運算時被CPU 調(diào)用。從486往后，協(xié)處理器都被集成在CPU芯片內(nèi)，其功能也不再局
限于浮點運算，也可以用來加快特定類型的運算。
ALU和FPU的操作數(shù)來自CPU內(nèi)的寄存器和數(shù)據(jù)總線。其中，通用
寄存器組是一組最快的存儲器，用來保存參加運算的操作數(shù)和中間結(jié)果。 專用寄存器組通常是一些狀態(tài)寄存器，不能通過程序改變，由CPU自己 控制，表明某種狀態(tài)。
運算器只能完成運算，而控制器則用于控制整個CPU中各部分的運 行?？刂破鞣譃橹噶羁刂破?、時序控制器、總線控制器和中斷控制器。指 令控制器完成取指令、分析指令等操作，然后交給執(zhí)行單元(ALU或FPU)來執(zhí)行，同時還要形成下一條指令的地址。時序控制器的作用是為每條指 令按時間順序提供控制信號?？偩€控制器主要用于控制CPU的內(nèi)外部總 線，包括地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線。中斷控制器用于控制各種各樣 的中斷請求，并根據(jù)優(yōu)先級對中斷請求進行排隊，逐個交給CPU處理。
隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進步，芯片上晶體管的尺寸越來越小，可集成 的晶體管數(shù)目越來越多。這樣，CPU可以獲得更高的主頻，而且芯片上能 集成的功能部件更多，由此帶來的性能提升在一定程度上滿足了各種應(yīng)用
對CPU性能越來越高的需求。從上世紀70年代到本世紀初，CPU的發(fā)展 一直沿用這一模式。然而通過這一途徑并不能無止境提高微處理器的性 能。實際上，在2004年，英特爾公司就不得不放棄研制4GHz單核CPU 的計劃。更高主頻帶來的最嚴重問題是功耗急劇上升，而且漏電與散熱問 題無法解決。除了主頻難以繼續(xù)提升，CPU碰到的另一個問題是中央處理 單元對主存儲器(內(nèi)存)數(shù)據(jù)的讀寫速度無法提高，這便使得單純提高處 理單元的速度沒有意義。上述事實說明用集成電路方式實現(xiàn)的微處理器的 發(fā)展，已經(jīng)難以繼續(xù)沿著摩爾定律指出的路線走下去。
對于上面提到的第一個問題，即微處理器性能提升已經(jīng)難以通過提高 主頻實現(xiàn)，有兩種解決辦法。其一是通過在芯片上集成多個CPU單元， 即采用多核模式來獲得更高性能；Intel公司與AMD公司推出的雙核與四 核CPU在目前的個人電腦市場已經(jīng)非常常見。其二是為CPU設(shè)置協(xié)處理 器，在個人電腦中常見的顯卡(Graphic Processing Unit, GPU)就是為CPU 分擔圖像處理任務(wù)的協(xié)處理器；另外在高端游戲市場，用來模擬真實場景 的物理加速卡(Physics Processing Unit, PPU)也屬于協(xié)處理器范疇。
對于CPU與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換速度跟不上CPU處理速度的問題，芯片 間及芯片上光互聯(lián)是一個被廣泛關(guān)注的解決方案，這是因為硅基光波導(dǎo)的 數(shù)據(jù)鏈路帶寬遠高于集成電路上金屬導(dǎo)線的帶寬，而硅基光波導(dǎo)技術(shù)所利 用的材料及工藝與集成電路技術(shù)兼容。
上面幾類方法都是針對現(xiàn)有CPU技術(shù)所作的改進，核心單元與上世 紀70年代CPU誕生時并無大異?？梢灶A(yù)見，由于各種物理原理的限制， 基于集成電路技術(shù)的CPU的性能提升會越來越困難。針對這一問題，物 理學家和電子工程師們早就開始考慮采用新的物理原理來實現(xiàn)處理器與計算機，其中主要包括光計算機和量子計算機。雖然基于這些概念的通用 型微處理器距離實用化還有一段距離，但一些關(guān)鍵單元或者原型樣機的研 制卻非常有意義。由于這些新概念計算機采用一些特殊的物理原理，它們 可能非常擅長處理某一類任務(wù)。比如光處理方式就具有并行性高的優(yōu)點。 這使得它們在目前可會為一些專門任務(wù)提供協(xié)處理，在未來也許會成為主 流的微處理器及計算機實現(xiàn)方式。
光計算是利用光的產(chǎn)生、調(diào)制、傳播與收集等過程完成特定計算任務(wù)。 例如利用透鏡系統(tǒng)就能完成傅立葉變換、相關(guān)等運算，其特點是光經(jīng)過一 次傳播即完成運算，速度極快。但是由于采用體光學元件，進行模擬量的 運算，難以與電子學元件集成，模擬光計算系統(tǒng)受制于精度低、可編程性 差等限制而未獲得廣泛應(yīng)用。為了解決這些問題，數(shù)字光計算的概念逐漸 興起，數(shù)字光計算所處理的信號為數(shù)字量，強調(diào)與電學元件的集成，因而 具有相對高的精度及良好的可編程性。
本發(fā)明提出的集成化光學向量-矩陣乘法器(Vector-MatrixMultiplier, VMM),就屬于數(shù)字光計算的范疇，并有望成為光計算機的重要功能單元。 它所能完成的向量-矩陣乘法在數(shù)字信號處理等領(lǐng)域是非常基本而且重要 的運算，在視頻音頻數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)加密與密碼分析、雷達與聲納信號處 理等學科中，向量-矩陣乘法都非常常見。由于它的重要性，在應(yīng)用數(shù)學、
計算機科學、光學工程等領(lǐng)域都有大量關(guān)于向量-矩陣乘法實現(xiàn)方式的研 究，無論采取電學還是其它的處理方式，它們最關(guān)注的問題是如何高效地 實現(xiàn)向量-矩陣乘法。向量-矩陣乘法的電學實現(xiàn)方式主要受制于串行處理 帶來的數(shù)據(jù)吞吐量小、數(shù)據(jù)傳輸速率慢的缺點。而用光學方式實現(xiàn)向量-矩陣乘法的最大優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳輸速率快，并行性高，數(shù)據(jù)吞吐量大——這 是由光的物理屬性決定的，首先，光波具有極高的頻率，能以更快的速率 傳輸數(shù)字信號；其次，不同光束在線性介質(zhì)中傳播時，即使在空間交疊也 不會發(fā)生相互作用。
光學向量-矩陣乘法器(Optical Vector-Matrix Multiplier, OVMM)的 理論模型是美國Stanford大學的J. W. Goodman于1978年提出的，發(fā)表于 1978年的"Fully parallel, high speed incoherent optical method for performing discrete Fourier transforms" (J. W. Goodman, OPTICS LETTERS, Vol. 2, No.1， 1 3)描述了其實現(xiàn)方法。他利用發(fā)光二極管作為輸入向量(各二極 管的光強代表向量的元素大小)，通過一個掩膜版實現(xiàn)矩陣(掩模版上不 同區(qū)域的透過率代表矩陣元素大小)，利用光電探測器得到結(jié)果向量(各 探測器感受到的光強代表結(jié)果向量各元素的大小)，成功地實現(xiàn)了 10點的 離散傅里葉變換。雖然學術(shù)界立刻意識到了光學向量-矩陣乘法器在光計算 方面的潛在應(yīng)用前景，但當時無論是光源列陣、空間光調(diào)制器矩陣還是光 電探測器列陣的精度、維數(shù)和速度都比較低，所以在比較長的時間內(nèi)這方 面的研究工作進展不大。并且，由于該向量-矩陣乘法器是用體光學元件實 現(xiàn)的，成本高且難以與其它系統(tǒng)集成。另外，由于光信號在自由空間傳播 與分集，能量利用率低，系統(tǒng)設(shè)計與裝調(diào)難度大。這些缺點都限制了它的 應(yīng)用范圍。
德國Hagen大學M. Gruber等科學家最早開始集成化的光學向量-矩陣 乘法器的研究，發(fā)表于2002年的"Planar-integrated optical vector-matrix multiplier" (Matthias Gruber， APPL正D OPTICS, Vol. 39, No. 29， 5367 5373)記載了他們在半導(dǎo)體晶片上實現(xiàn)光學向量-矩陣乘法器的方法。其基 本思想仍然是J. W. Goodman教授提出的那樣，只不過現(xiàn)在光不在自由空 間傳播而是在半導(dǎo)體晶片內(nèi)部傳播。J. W. Goodman教授的模型中透鏡的 功能在這里采用由刻蝕技術(shù)制作的微透鏡及衍射單元(DOE， Diffraction Optical Element)實現(xiàn)。由于仍然采用自由傳播(在半導(dǎo)體材料內(nèi))的方 式實現(xiàn)光信號的分集，系統(tǒng)的能量效率很低，所以對光源與探測器的要求 就很高，這就使得它難以真正實用化。
在專禾UUS4， 620， 293"Opticalmatrixmultiplier"中己公開了一種光學
矩陣-矢量乘法器的裝置。其中，利用發(fā)光二極管(LED)提供輸入矢量， 通過空間光調(diào)制器(SLM)提供輸入的矩陣，利用光電探測器實現(xiàn)光信號 的探測，實現(xiàn)了光學矩陣-矢量乘法?？梢姡词荍. W. Goodman提出的 模型的具體實現(xiàn)。
在專禾IJEPI， 436， 681 "Vector-MatrixMuWplication"中已公開了一種 光學矩陣-矢量乘法器的裝置。其中，利用垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL) 提供輸入矢量，通過多量子阱空間光調(diào)制器(MQW-SLM)提供輸入的矩 陣，利用光電探測器實現(xiàn)光信號的探測，實現(xiàn)了光學矩陣-矢量乘法。并為
7之設(shè)計了算法，函數(shù)庫，存儲器及外圍控制單元。盡管它采用了更先進的
器件，但仍然是J. W. Goodman提出的空間傳播分集模型的具體實現(xiàn)。 在專利US 4， 125 ， 316"Integrated optical matrix multiplier"中己公開了
一種集成化光學矩陣-矢量乘法器的裝置。它采用光電導(dǎo)材料波導(dǎo)a與電光 材料波導(dǎo)b制成，當光經(jīng)過a時，引起b處的電場發(fā)生改變，從而對b中 的光發(fā)生作用。這其實是利用電場為媒介實現(xiàn)光對光的調(diào)制而完成乘法。 但是這種方案需要使用光電導(dǎo)材料及電光材料，與集成電路工藝不兼容。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種硅基集成化的光學向量-矩陣乘法器，以便于與電學元件集成，提高信息傳遞速率，減小信息傳遞 的延遲，避免模擬光計算系統(tǒng)的精度差、可編程能力弱等缺點以及傳統(tǒng)光 學向量-矩陣乘法器空間分集效率低下的問題。
(二) 技術(shù)方案
為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種硅基集成化的光學向量-矩陣乘法 器，該光學向量-矩陣乘法器由周期性排列的納米線微環(huán)諧振器構(gòu)成，用于 實現(xiàn)NxN矩陣與Nxl向量的乘法，其中NxN矩陣與Nxl向量中的元素
均為0或1。
上述方案中，該光學向量-矩陣乘法器采用絕緣體上硅(SOI)材料制 備，構(gòu)成該光學向量-矩陣乘法器的基本單元為納米線微環(huán)諧振器(MRR)， 基本結(jié)構(gòu)為NxN排布的帶熱調(diào)制機構(gòu)的MRR。
上述方案中，所述納米線微環(huán)諧振器是直波導(dǎo)相互交叉結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧 振器。
上述方案中，所述直波導(dǎo)相互交叉結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器由兩個相互交叉 的直波導(dǎo)和一個環(huán)形波導(dǎo)構(gòu)成，該環(huán)形波導(dǎo)的外邊緣同時與相互交叉的兩 個直波導(dǎo)相切。
上述方案中，該光學向量-矩陣乘法器的功能實現(xiàn)過程是輸入端為N
個MRR的直波導(dǎo)端口，輸入信號依原始向量而定，若原始向量某元素為1，則對應(yīng)端口輸入含有N個波長成分的激光脈沖；若原始向量某元素為
0，則對應(yīng)端口不輸入任何信號；該光學向量-矩陣乘法器VMM中每一行 或每一列的N個MRR在靜態(tài)時諧振波長為、、、...^中的一個，且互不 相同，、、、..丄N依次間隔A、利用熱光效應(yīng)對MRR進行調(diào)諧，每次調(diào) 諧都將MRR的諧振波長調(diào)節(jié)至非、、、…;W的任一波長處；在進行向量 -矩陣乘法運算時，某MRR的諧振波長是否進行調(diào)節(jié)依賴于原始矩陣；若 原始矩陣某元素為1 ，則對相應(yīng)MRR不予調(diào)節(jié)；如果原始矩陣某元素為0， 則調(diào)節(jié)相應(yīng)的MRR;在VMM輸出端的N個端口收集光，所得光強依次 為向量-矩陣乘法所得結(jié)果向量的N個元素。
上述方案中，該光學向量-矩陣乘法器在采用DMAC算法時實現(xiàn)無符 號定點數(shù)乘，在采用DP算法時實現(xiàn)無符號定點整數(shù)向量-矩陣乘法。
上述方案中，該光學向量-矩陣乘法器利用激光脈沖的有無表示數(shù)字信 號的1與0，當表示1時激光脈沖中含有N個波長成分，當表示0時不輸 入任何信號；VMM的N個輸入端對應(yīng)向量的N個元素，若向量某元素為 1，則對應(yīng)端口輸入含有N個波長成分的激光脈沖，若向量某元素為0， 則對應(yīng)端口不輸入信號；N個波長成分的激光脈沖由N個激光器通過合束 得到。
上述方案中，該光學向量-矩陣乘法器中NxN排布的帶熱調(diào)制機構(gòu)的 MRR與NxN矩陣對應(yīng)，在靜態(tài)時，每一行及每一列的N個MRR均擁有 不同的N個諧振波長^、 、..AN;同一行或同一列的N個MRR諧振波長 互不相同；若矩陣某元素為1，則相應(yīng)MRR不進行調(diào)節(jié)，保持靜態(tài)時波 長；若矩陣某元素為0，將相應(yīng)MRR調(diào)節(jié)至在^、、..丄N處都不諧振。 上述方案中，該光學向量-矩陣乘法器可實現(xiàn)帶符號定點/浮點數(shù)乘。 上述方案中，該光學向量-矩陣乘法器作為運算器，與外圍集成的寄存 器、控制器一起，構(gòu)成協(xié)處理器或通用微處理器。
(三)有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果 本發(fā)明提供的硅基集成化的光學向量-矩陣乘法器，利用現(xiàn)成的工藝技 術(shù)，使得器件體積小，功耗低，擴展性好，便于與電學元件集成；利用激200810116741. 0
光脈沖傳遞信息，速率高，延遲??；用數(shù)字方式進行信號處理，避免了模
擬光計算系統(tǒng)的精度差、可編程能力弱的缺點；用高折射率差波導(dǎo)傳導(dǎo)光，
避免了傳統(tǒng)光學向量-矩陣乘法器空間分集效率低下的問題。


圖1為交叉結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器(MRR); 圖2為用來調(diào)諧各個MRR的電極結(jié)構(gòu)；
圖3為基于MRR的集成化向量-矩陣乘法器(VMM)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明提供的VMM執(zhí)行一次向量-矩陣乘法的詳細過程示意
圖5為正EE 754標準規(guī)定的單精度浮點數(shù)表示格式。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實 施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
本發(fā)明提出的集成化光學向量-矩陣乘法器，是用硅基納米線波導(dǎo)實現(xiàn) 的，它用激光脈沖表示二進制數(shù)字信息，完成向量與矩陣的乘法運算。與
之前各種實現(xiàn)方式相比，本發(fā)明的突出優(yōu)點是利用現(xiàn)成的工藝技術(shù)，使 得器件體積小，功耗低，擴展性好，便于與電學元件集成；利用激光脈沖 傳遞信息，速率高，延遲?。挥脭?shù)字方式進行信號處理，避免了模擬光計 算系統(tǒng)的精度差、可編程能力弱的缺點；用高折射率差波導(dǎo)傳導(dǎo)光，避免 了傳統(tǒng)光學向量-矩陣乘法器空間分集效率低下的問題。本發(fā)明提出的集成 化VMM之所以具有這些優(yōu)點，與它所采用材料的屬性及器件工作原理關(guān) 系密切。
首先，在材料方面，本發(fā)明采用的是絕緣襯底上的硅 (Silicon-on-insulator， SOI)材料。SOI是指在絕緣層上生長一層具有一 定厚度的單晶硅薄膜，它具有材料制備工藝成熟、與CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor, CMOS)工藝兼容、 折射率差大等優(yōu)點，這使它成為硅基光子學領(lǐng)域廣泛使用的材料。SOI波 導(dǎo)的芯層為硅，材料折射率為3.5，包層為空氣或二氧化硅，二者的材料
10折射率分別為1與1.44。由于芯層和包層的折射率差很高，SOI波導(dǎo)的光
場限制能力很強。高的折射率差使得彎曲波導(dǎo)的彎曲損耗很低，彎曲半徑 為5微米時的彎曲損耗仍然很小，這使得在一個芯片上實現(xiàn)多個不同形狀 與功能的SOI波導(dǎo)器件的集成成為可能；而傳統(tǒng)波導(dǎo)器件的彎曲半徑普遍 在毫米甚至厘米量級，極大的占用了芯片面積， 一個芯片上通常只能放下 一個器件。
其次，在器件方面，本發(fā)明的基本單元為基于硅基納米線波導(dǎo)的微環(huán)
諧振器(Micro-Ring Resonator, MRR)，它是一種功能多樣，性能優(yōu)越， 近年來被廣泛研究的集成光學元件。圖1為交叉結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)圖， 它由兩個相互交叉的直波導(dǎo)和一個環(huán)形波導(dǎo)組成。利用微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)可 以實現(xiàn)光開關(guān)、光調(diào)制器、光濾波器、光分插復(fù)用器等很多光通信用功能 器件。由于環(huán)形波導(dǎo)的半徑可以達到5微米，其器件結(jié)構(gòu)非常緊湊，可以 實現(xiàn)密度為105/cm2以上的高集成度，因此在一個芯片上能夠同時集成多 個功能器件，提高整個系統(tǒng)的性能，減少分立器件的耦合損耗，同時降低 器件的封裝成本。
下面通過分析光信號在圖1所示的MRR中的傳輸過程，簡要說明其 工作原理(1、 3端口之間的直波導(dǎo)稱為a，與之垂直的直波導(dǎo)稱為b):
(1) 、 一定波長的激光光脈沖信號由1端口輸入，進入MRR后在直 波導(dǎo)中向前傳播。盡管SOI納米線波導(dǎo)折射率差大，光場限制能力強，但 仍有倏逝場彌散到波導(dǎo)之外；
(2) 、在光信號經(jīng)過環(huán)形波導(dǎo)時，由于環(huán)形波導(dǎo)材料折射率比周圍材 料高，根據(jù)電磁場傳播的基本規(guī)律，光場將向折射率高的區(qū)域傳播，所以 直波導(dǎo)中的光場將有一部分通過倏逝場耦合進環(huán)形波導(dǎo)中；
(3) 、如果光信號的波長滿足諧振條件(mxl NgX2兀xR，其中m為 整數(shù)，人為光信號波長，Ng為環(huán)形波導(dǎo)的群折射率，R為環(huán)形波導(dǎo)半徑)， 那么光脈沖在環(huán)形波導(dǎo)中傳播若干圈之后，其能量將幾乎全部由a耦合進 環(huán)形波導(dǎo)，并由環(huán)形波導(dǎo)耦合進b，最終由2端口輸出(2端口稱為下路 端，上述過程稱為下路)。而如果光信號的波長不滿足所謂的諧振條件， 那么盡管部分光場會從a進入環(huán)形波導(dǎo)，但最終仍會回到a中，然后幾乎 全部由3端口輸出(3端口稱為直通端，上述過程稱為直通)。上面分析的是MRR的靜態(tài)工作特性，即MRR固定地使某些波長信 號下路，某些波長信號直通。實際工作時，需要實時調(diào)節(jié)MRR的諧振波 長以完成各種各樣的功能。下面對諧振波長計算公式mx ^NgX27ixR進行 分析，從而得出如何調(diào)節(jié)MRR使得它的下路波長動態(tài)可調(diào)。
通過上面的諧振波長計算公式可以看到，要調(diào)節(jié)諧振波長以實現(xiàn)動態(tài) 濾波，可以改變的物理量有環(huán)形波導(dǎo)的半徑R及其群折射率Ng。而前者 在工藝完成之后就確定下來，無法進行調(diào)節(jié)。所以只能調(diào)節(jié)環(huán)形波導(dǎo)的群 折射率Ng。
硅材料具有熱光效應(yīng)，即硅材料的折射率隨溫度變化而變化，利用這 一性質(zhì)可以實現(xiàn)對Ng的調(diào)節(jié)。利用濺射技術(shù)在微環(huán)上生長金屬電極，加 電后金屬電極發(fā)熱，熱場傳導(dǎo)至波導(dǎo)，使波導(dǎo)的溫度發(fā)生變化，環(huán)形波導(dǎo) 的折射率Ng隨之變化，帶來MRR諧振波長入的改變，從而實現(xiàn)動態(tài)調(diào)諧 ——即對于某一特定波長，可以通過電信號控制使它或者從下路端，或者 從直通端輸出。
硅材料的熱光效應(yīng)可以用下式表示
dn/dT=9.48xl(r5+3.47xl(T7xT-1.49xl(r10T2+… (1) 其中dn為折射率變化量，dT為溫度變化量，T為環(huán)境溫度。在常溫 下，dn/dT=1.86xlO'4/K。折射率隨溫度的升高而增大。Si的大熱光系數(shù)和 高熱導(dǎo)率(dsrl.49W/cm'K)可以保證SOI的熱光調(diào)節(jié)有較快的響應(yīng)速度。 同時，埋層Si02的熱導(dǎo)率很小，只有Si的百分之一，可以有效的起到絕 熱的作用，減少熱量散失，降低開關(guān)功耗。因此SOI是很好的熱光效應(yīng)材 料。
另夕卜，從諧振波長計算公式mx^NgX2;rxR還可以看出，由于m只能
取整數(shù)值，微環(huán)形諧振器的諧振波長是離散的，相鄰兩個諧振波長的間隔 稱為自由光譜范圍(Free spectral range, FSR)，其值可以表示為 FSR^2/(NgX2兀xR) (2)
其中U為諧振波長計算公式中整數(shù)m對應(yīng)的諧振波長，F(xiàn)SR是(m-l) 與(m+l)所對應(yīng)諧振波長與^的間隔，由(2)可見FSR與環(huán)的半徑成 反比。受彎曲損耗的限制，微環(huán)的半徑通常不小于5微米，此時FSR的通 常為十幾個納米。本發(fā)明擬采用的波段為光通信中常用的1.55pm附近區(qū)域，信道間隔 為lOOGHz，對應(yīng)的波長間隔約為0.8mn。由諧振波長計算公式可以得到
諧振波長變化與折射率變化的關(guān)系
ANg=NgxAAA (3) 如果想調(diào)節(jié)諧振波長至相鄰的一個信道波長，即波長變化0.8nm，那 么對應(yīng)的折射率變化大約為0.0023 (計算時采用Ng的近似值4.5)，對應(yīng) 的溫度變化約為12K。根據(jù)(4)與(5試可以分別對器件的功耗和響應(yīng)時間進 行計算，P為器件功耗，T為響應(yīng)時間。對4x4的向量-矩陣乘法器，其最 大功耗約為48mW，響應(yīng)時間為0.1ixs。
(4)
(5)
(4)中AT為溫度變化量，(^02為Si02的熱導(dǎo)率，有效加熱面積 Sefi=WxL， W為波導(dǎo)寬度，L為整個熱極的長度，(^02為上包層Si02厚度； (5)中H為波導(dǎo)高度，Psi與Csi分別為Si的密度和比熱容。圖2為熱調(diào)制 結(jié)構(gòu)的截面示意圖，硅基波導(dǎo)外包裹著一層Si02， 一方面是對光場起到限 制作用，防止光場向襯底泄漏以及杜絕上面加熱電極金屬對光場的吸收， 減小損耗；另一方面，由于Si02的熱導(dǎo)率低，可以隔絕芯層向襯底傳導(dǎo)的 熱量，保證功耗較小。
"12"13"14、
"22"24c2
X
032"34c3
"41"42"44
V5c
(6)
本發(fā)明提出的向量-矩陣乘法器中的光信號沿著高折射率差SOI波導(dǎo) 傳播，所以能量分集的效率遠高于前述兩種自由傳播的方案(自由空間傳 播和半導(dǎo)體晶片內(nèi)自由傳播)。在SOI晶片上設(shè)計制作二維排布的MRR， 按一定規(guī)則輸入光脈沖信號，就能實現(xiàn)基于硅基納米線波導(dǎo)的集成化光學 向量-矩陣乘法器。由于在SOI材料上用CMOS工藝制備電學元件非常方
13便，所以可以在這里提出的集成化向量-矩陣乘法器外圍設(shè)置寄存器與控制 器等元件，并設(shè)計特殊的指令集，從而形成一個光電混合集成的系統(tǒng)，它 可以被設(shè)計為實現(xiàn)某種特殊功能，即作為高性能協(xié)處理器，甚至可以被設(shè)
計為高性能通用型微處理器。(6)式所示即為本發(fā)明提出的VMM所能進 行的運算，其中的4x4階矩陣A與4xl階向量B作乘法得到向量C，矩 陣A和向量B的元素均為二進制量(非0即1)。這一運算可以分解為向 量B與矩陣A的4個行向量分別做內(nèi)積的過程，所得的4個結(jié)果即為向 量C的4個元素。下面將分析這一運算過程如何在本發(fā)明提出的二維MRR 組成的VMM中用光脈沖的傳遞與收集過程實現(xiàn)。
圖3是本發(fā)明提出的MRR型VMM的結(jié)構(gòu)示意圖，它可用來完成(6) 式中的4x4階矩陣A與4xl階向量B的乘法運算。需要指出的是，圖3 中的MRR在靜態(tài)時各自擁有自己的諧振波長(為、 、四個波長中的一 個，已分別在圖3中標注)。靜態(tài)時16個MRR的諧振波長均為、、X2、 X3、 入4中的某一個，分布特點是每一行或每一列中的4個MRR諧振波長各 不相同(圖3中給出的是一種合乎要求的諧振波長分布方式)。當VMM 工作時，各個MRR的諧振波長可能保持不變，也可能會被調(diào)諧至另一處 (非、 人4四個波長中的任何一個)。假設(shè)M 、波長兩兩間隔為AX，那 么在調(diào)諧時只需將諧振波長調(diào)離原位置(當然也可以是其它位置，比 如3AX/2)。
4個輸入端口Ii (i=l,2,3,4)分別代表向量B的四個元素，當bi等于 l時，Ii端輸入含有、 人4四個波長成分的光脈沖，當bi等于0時，Ii端不 輸入任何信號。16個微環(huán)諧振器& (i, j=l, 2, 3, 4)代表矩陣A的16個 元素，如果ay等于1，那么對&不予調(diào)節(jié)(即諧振波長如圖3中標注的 那樣)，如果ay等于0，那么就將Rij調(diào)離原位置AA/2(或其它值，如3AX/2， 使該MRR在、 ^任一波長處都不諧振)。4個輸出端口Oj (j=l， 2， 3， 4)代表結(jié)果向量C的四個元素，在Oj處探測到的光功率值即反映了Cj的 大小。
下面按照光脈沖在圖3所示結(jié)構(gòu)中的傳播過程來分析向量-矩陣乘法 的實現(xiàn)過程
(1)、假設(shè)參與運算的向量B呵l,O, 1, l]，矩陣A的第一行為Al=[l,1, 0, l]。那么按照上面的設(shè)計，Ih 13和14端口均輸入含有、 人4四個波 長成分的光脈沖，而l2端口不輸入任何信號。Ru、 R12、 Rw將不予調(diào)制， 即分別在、、X2、、處諧振，R13則被調(diào)離靜態(tài)諧振波長(靜態(tài)時，R13 在、處諧振)，使其在、 人4任一波長處都不諧振；
(2) 、 14端口處輸入的光脈沖沿著直波導(dǎo)傳播，當它們經(jīng)過環(huán)形
波導(dǎo)時，由于Ru、 P44分別在、和、處諧振，h中的、成分和l4中的^ 成分將會被導(dǎo)引至各自的下路端口，從而匯聚到一起并從Oi端口輸出； 其它波長成分則繼續(xù)在直波導(dǎo)中傳播；
(3) 、 13端口盡管有光脈沖輸入，但是由于R3在、 、任一波長處 都不諧振，故l3中的全部光信號將繼續(xù)沿著直波導(dǎo)傳播，而對Ch端口的
輸出沒有貢獻；
(4) 、對于12端口，盡管Ru在入2處諧振，但是l2端口沒有輸入光信
號，所以它對Ch端口的輸出也沒有貢獻。至此，已經(jīng)分析了所有四個輸 入端口的情況，得到輸出端口 0!的輸出為2。可見，只有當某端口有光脈 沖輸入(向量中對應(yīng)元素為1)，其對應(yīng)的第一行MRR未被調(diào)離原諧振位 置(對應(yīng)矩陣元素為1)兩個條件同時滿足時，此端口才對第一行的輸出 結(jié)果有貢獻。該過程實際上完成的便是向量與矩陣第一行的內(nèi)積；
(5) 、如果矩陣A的第二行為A尸[l,O,O,O]，那么I!端口輸入光脈沖 中的^成分將被導(dǎo)引至02 (因為R^在、處諧振)。而其它輸入端口的光 脈沖將沿著直波導(dǎo)向前繼續(xù)傳播(因為這三個MRR都被調(diào)離原諧振位置， 在^ 、任一波長處都不諧振)，對02的輸出沒有貢獻，所以輸出端口 02的輸出為1;
(6) 、余下兩行的分析與前面完全一致，可以看到，這樣設(shè)計的MRR 二維組合，按一定規(guī)則進行光信號的輸入，可以完成二進制量的向量-矩陣 乘法。更大規(guī)模的向量-矩陣乘法可以通過完全類似的設(shè)計予以實現(xiàn)。
圖4則用一個具體例子描述了本發(fā)明提出的MRR型VMM完成一次 向量-矩陣乘法的全過程。
上面的描述表明，本發(fā)明所提出的VMM可以進行二進制量的向量-矩陣乘法。實際上，通過設(shè)計合適的算法，該VMM可以完成兩個無符號 定點數(shù)的乘法，或者可以完成無符號定點數(shù)向量-矩陣的乘法。如果集成必要的電學輔助單元，那么它也可以完成浮點運算。這些運算的具體實現(xiàn)辦 法，將在下文予以詳細介紹。
通過上面的分析可以看到，本發(fā)明提出的集成化光學向量-矩陣乘法器 能完成的基本操作是二進制量的向量-矩陣乘法，結(jié)合一定算法，可以完成 定點數(shù)的運算，而進一步集成電學輔助單元的話，還能完成浮點運算。
所以，如果在本發(fā)明提出的VMM外圍集成合適的控制器與存儲器及 其它必要功能組件，并為其設(shè)計特殊的指令集，這一運算器將很有希望作 為核心單元實現(xiàn)光電集成微處理器，它能被設(shè)計為處理特殊數(shù)值計算任務(wù) 的協(xié)處理器，或者被設(shè)計為進行一般任務(wù)處理的通用型微處理器。
如圖1所示的微環(huán)諧振器(MRR)是本發(fā)明實現(xiàn)向量-矩陣乘法功能 的基本單元。MRR有兩種基本結(jié)構(gòu)，圖1所示的直波導(dǎo)相互交叉是其中 之一，另外還有直波導(dǎo)相互平行的結(jié)構(gòu)(環(huán)形波導(dǎo)處在兩平行波導(dǎo)之間)。 交叉結(jié)構(gòu)的MRR具有的二維擴展性好的優(yōu)點，主要缺點在于交叉節(jié)點會 引入一定損耗。
下面介紹單個MRR的制造工藝。首先依照諧振波長、偏振與損耗特 性、調(diào)諧特性等方面的要求，設(shè)計好MRR的幾何結(jié)構(gòu)和熱調(diào)制結(jié)構(gòu)(電 極)。然后就可以利用半導(dǎo)體工藝在SOI材料上制作MRR及其熱調(diào)制機構(gòu)， 下面介紹具體步驟
步驟l、將設(shè)計好的MRR版圖制成光刻版；
步驟2、依照設(shè)計，選擇SOI片進行清潔處理，得到待處理的SOI片， 其頂層Si厚度依設(shè)計選定，為波導(dǎo)芯層的厚度。埋層Si02的厚度則要保 證以頂層Si為芯區(qū)的波導(dǎo)中光場不會泄露到襯底Si中， 一般埋層Si02的 厚度在1 3pm;
步驟3、在SOI片上均勻涂敷光刻膠層，對其進行烘焙、堅膜，并在 光刻機中用紫外光機將光刻版的線條方向與硅片的參考邊調(diào)整至平行，對 光刻膠曝光；
步驟4、在顯影液中對光刻膠顯影形成光刻膠圖形，并再次烘焙； 步驟5、以光刻膠層的剩余部分為掩模，采用反應(yīng)離子刻蝕工藝去除 腐蝕窗口的頂層Si。反應(yīng)離子刻蝕是指利用能與被刻蝕材料起化學反應(yīng)的 氣體，通過輝光放電使之形成低溫等離子體，對晶片表面未被掩蔽部分迸行腐蝕。它利用活性離子對襯底的物理轟擊與化學反應(yīng)的雙重作用進行刻 蝕，具有良好的形貌控制能力(各向異性)、較高的選擇比和較快的刻蝕速 率。正是它的這些優(yōu)越性使得它成為目前應(yīng)用范圍最為廣泛的干法刻蝕。 反應(yīng)離子刻蝕工藝包括六個步驟(l)刻蝕物質(zhì)的產(chǎn)生射頻電源施加在 一個充滿刻蝕氣體的反應(yīng)腔上，通過等離子體輝光放電產(chǎn)生電子、離子、 活性反應(yīng)基團；(2)刻蝕物質(zhì)向硅片表面擴散；(3)刻蝕物質(zhì)吸附在硅片 表面上；(4)在離子轟擊下刻蝕物質(zhì)和硅片表面被刻蝕材料發(fā)生反應(yīng)； (5)刻蝕反應(yīng)副產(chǎn)物在離子轟擊下解吸附離開硅片表面；(6)揮發(fā)性刻 蝕副產(chǎn)物和其它未參加反應(yīng)的物質(zhì)被真空泵抽出反應(yīng)腔。整個過程中有諸 多的參數(shù)影響刻蝕工藝，其中最重要的是壓力、氣體比率、氣體流速、 射頻電源。另外硅片的位置和刻蝕設(shè)備的結(jié)構(gòu)也會對刻蝕工藝，因此在實 際生產(chǎn)中，針對不同的刻蝕膜質(zhì)設(shè)備廠家設(shè)計不同的設(shè)備，提供不同的氣 體配比以達到工藝要求。在這一步中，需要嚴格控制刻蝕條件，避免側(cè)向 鉆蝕；
步驟6、去除光刻膠層的剩余部分，得到圖形轉(zhuǎn)移之后的二維MRR 結(jié)構(gòu)；
步驟7、利用濺射技術(shù)在MRR的相應(yīng)部位生長用于熱調(diào)制機構(gòu)的金 屬電極。濺射是微電子制造中，不用蒸發(fā)而進行金屬膜淀積的主要替代方 法。濺射的臺階覆蓋比蒸發(fā)好，輻射缺陷遠小于電子束蒸發(fā)，在制作復(fù)合 材料膜和合金時性能更好，這些優(yōu)點使得濺射金屬淀積技術(shù)成為大多數(shù)硅 基工藝的最佳選擇。濺射系統(tǒng)主要包括真空腔、濺射靶和待淀積圓片。濺 射耙含有所要淀積的材料，濺射時將其放置在真空腔中具有最大離子流的 電極上。在濺射金屬時， 一般采用速率高的直流濺射。為了收集盡可能多 的出射原子，陰極與陽極應(yīng)相距10cm以下。用某種惰性氣體充入真空腔， 使腔內(nèi)氣體壓力維持在0.1Torr左右，這使得平均自由程有幾百微米的量 級。
經(jīng)過上面這些步驟，精確控制工藝過程，就可以得到預(yù)先設(shè)計的MRR 及其熱調(diào)制結(jié)構(gòu)。
圖2所示為MRR的熱調(diào)制機構(gòu)，加電后金屬電極發(fā)熱，熱場傳導(dǎo)至 波導(dǎo)，使波導(dǎo)的溫度發(fā)生變化，環(huán)形波導(dǎo)的折射率Ng發(fā)生變化，MRR的諧振波長人隨之變化。
圖3所示即為二維排布的MRR組成的向量-矩陣乘法器，它也采用 SOI材料制造，工藝過程與上面介紹的單個MRR的制造工藝一樣，只是 其中的每個MRR都擁有自己的諧振波長，這可通過不同的波導(dǎo)尺寸(包 括MRR中直波導(dǎo)與環(huán)形波導(dǎo)的間距、環(huán)形波導(dǎo)的截面尺寸)來實現(xiàn)。
上面介紹了用于實現(xiàn)向量-矩陣乘法的MRR型VMM的器件制造過 程，下面通過舉例介紹如何通過算法與電路設(shè)計，使其可以完成更復(fù)雜計 算任務(wù)。包括無符號定點數(shù)的乘法，向量-矩陣乘法，以及浮點數(shù)的乘法及 向量-矩陣乘法。
假設(shè)要進行a=7與b=12的乘法。首先將它們寫為二進制數(shù)a=0111、 b=1100。 DMAC (Digital Multiplication by Analog Convolution)算法的基 本思想是將a序列與b序列做巻積，將所得結(jié)果(若干分立值)加權(quán)相加 即得到乘法結(jié)果。而巻積的過程可以通過向量-矩陣乘法實現(xiàn)，如下式所示
00o扁—0—
00000
0
00011
1
00112
1
01102
1
1100一1
10000—
式(7)中的矩陣為b"反轉(zhuǎn)"所得的"ooir不斷向左平移得到，平移規(guī) 則是"ooir的第一個o進入矩陣第一行，作為第四個元素，另外3個元 素補零；"ooir，的前兩個o進入矩陣第二行，作為第三、四個元素，另外 2個元素補零；"ooir的"oor進入矩陣第三行，作為第二、三、四個元素， 另外i個元素補零；"ooir的"ooii"進入矩陣第四行，作為第一、二、三、
四個元素；"0011"繼續(xù)左移，得到矩陣余下部分。(7)式中的向量為a。 令結(jié)果向量為C，其意義通過下面的運算可以看到
0x2。+0x2!+l x22+2x23+2x24+l x25+0x26=84 ( 8)
而84正是要計算的a=7與b=12的乘法結(jié)果。
上面的過程可以總結(jié)為，兩個N-bit的無符號定點整數(shù)的乘法，可以 歸結(jié)為一個Nxl階向量與一個(2N-1) xN階矩陣的乘法，將結(jié)果向量元素按一定規(guī)則加權(quán)相加即可得到預(yù)想的乘法結(jié)果。結(jié)果向量的加權(quán)相加過
程由電學元件完成，加權(quán)規(guī)則為sum-Scix2i'1 (其中c為結(jié)果向量，sum
為最終結(jié)果)。
由于本發(fā)明提出的基于MRR的VMM由半導(dǎo)體工藝制作，器件體積 小，能量利用率高，便于擴展，所以可以被設(shè)計為用來實現(xiàn)二進制Nxl 階向量與(2N-1) xN階矩陣的乘法，從而實現(xiàn)兩個N-bit的無符號定點整
數(shù)的乘法。
下面再通過一個例子介紹如何采用DP (Digital Partitioning)算法，實 現(xiàn)元素為無符號定點整數(shù)的向量-矩陣乘法。假設(shè)要進行的運算為
71223——6，—222—
1568014198
X
2913187
10116251
(9)
令式(9)中的矩陣為A，乘法向量為B，結(jié)果向量為C。首先，將A 和B寫作二進制形式，如下
—0111110000100011——0110-
11110110100000001110
0010讓110101010011
00010000101101100010
(10)
將A分解為4個矩陣，B分解為4個向量:
-100r—101r—1100——01 0o-
100011001100,4 =10 10
，4=
I01111000001101 10
10100011000100 10
0110
0111
A =11=00(12)
0100
(11)
上述分解的規(guī)則是，Ai為A的最低比特位，A2為A的次低比特低位， A3為A的次高特低位，A4為A的最高特低位；B的分解也是按這樣的方 式進行。將A^ A2、 A3、 A4與B,、 B2、 B3、 B4兩兩作乘法，得到如下16
19個結(jié)果:
<formula>formula see original document page 20</formula>
與(9)式比較可知，這就是要求的結(jié)果向量。
總結(jié)上面的過程，我們可以將M-bit數(shù)的向量-矩陣乘法，分解為M2
次二進制量的向量-矩陣乘法，將它們的結(jié)果加權(quán)相加便是最終結(jié)果(上面 例子中M-4)。利用本發(fā)明中的單個VMM進行M"欠運算，或者采用M2
個VMM進行一次運算，將結(jié)果加權(quán)相加便可得到最終結(jié)果。結(jié)果向量的 加權(quán)相加過程由電學元件完成，加權(quán)規(guī)則見(15)式。
上面介紹了無符號定點整數(shù)的乘法，對于有符號定點小數(shù)，由于其小 數(shù)點位置固定，可以先將其當作整數(shù)處理，得到結(jié)果后再將小數(shù)點加上。 用電學方式對二操作數(shù)的符號位作異或，得到結(jié)果的符號。具體過程不再 贅述。至此，我們介紹了如何用本發(fā)明計算定點數(shù)的乘法及向量-矩陣乘法。
下面再介紹如何用它實現(xiàn)浮點數(shù)的運算。IEEE 754定義了32位的單精度 浮點數(shù)表示格式，如圖5所示。其中S為符號位，0表示正，l表示負；E 為指數(shù)位，采用偏值表示法，真正的指數(shù)等于E減去偏值(常數(shù)127); 最后一個部分為M，為有效數(shù)字位存儲"規(guī)格化"(規(guī)格化的有效數(shù)字均為 "l.xxxx"的形式)后小數(shù)點右邊的數(shù)值(即為"xxxx")。由于采用2作為基
數(shù)，所以單精度浮點數(shù)所表示的數(shù)值大小為
F=(-l)sx l.Mx2(E-127) (17) 依然通過舉例來說明，為了簡便，下面的數(shù)的浮點表示中M取7，偏 移量取4。假設(shè)要進行乘法的兩個浮點數(shù)為A= -23.625和B=6.28125作乘 法，實際結(jié)果為-148.39453125。將A、 B兩數(shù)寫為IEEE 754所要求的形 式為A=-1.0111101x24(S=l，M=0111101，E=1000)，B=1.1001001x22(S=0， M=1001001， E=0110)。下面描述乘法過程
(1) 、操作數(shù)A與B進入VMM和電學單元組成的乘法器后，被分 解為S、 M、 E三個域，分開處理，M中隱含的'l'要添加回來參與運算；
(2) 、 A與B的符號位進行異或，得到結(jié)果的符號，易知結(jié)果為1 (SA=1， SB=0)，及乘法結(jié)果為負；
(3) 、隨后將A與B的指數(shù)相加，由于采用偏移量表示，所以要從 結(jié)果中減去一個偏值ES= EA+EB-偏移量- 8+6-4=10 (EA=1000， EB=0110)，即結(jié)果的指數(shù)項為IO (其中仍含有偏值4);
(4) 、上面的步驟(邏輯運算及定點整數(shù)加法)都是用傳統(tǒng)的電學方 式完成的，而兩操作數(shù)尾數(shù)相乘的步驟由光學向量-矩陣乘法器完成；
(5) 、將M中的'l，添加回來之后，MA=1011， 1101， MB=1100， 1001，
二者均為定點小數(shù)。根據(jù)前面定點數(shù)的乘法的實現(xiàn)方式可知，要完成MA 與MB的乘法，只需進行15x8的矩陣與8xl的向量的乘法，MA或MB 中的一個生成15x8矩陣，另一個生成8xl向量，將結(jié)果加權(quán)相加后再考 慮小數(shù)點位置；
(6) 、上一步15x8的矩陣與8xl的向量的乘法所得結(jié)果為 37989=1001010001 100101，考慮小數(shù)點位置，結(jié)果為10.01010001100101;
(7) 、所以最總結(jié)果的浮點表示為S=l， M=0010100 (1己經(jīng)隱去，
21上一步結(jié)果8位之后的被忽略)，E=ll (因為上一步結(jié)果對指數(shù)有貢獻)。
下面對結(jié)果進行驗證，符號為負，M=1.0010100=l.15625，指數(shù)為7 (步驟(3)得到10，步驟(7)之后指數(shù)變?yōu)?1，減去偏值4得到實際 指數(shù))；最終結(jié)果為-U5625x27= -148，與真實結(jié)果-148.39453125接近。
誤差來源是在步驟(7)中M的一部分尾數(shù)被略去。
至此，介紹了浮點數(shù)乘法的實現(xiàn)。實際上，浮點數(shù)的乘法是轉(zhuǎn)化為定 點數(shù)的乘法來實現(xiàn)的。
以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行 了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而 已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修 改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種硅基集成化的光學向量-矩陣乘法器，其特征在于，該光學向量-矩陣乘法器由周期性排列的納米線微環(huán)諧振器構(gòu)成，用于實現(xiàn)N×N矩陣與N×1向量的乘法，其中N×N矩陣與N×1向量中的元素均為0或1。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的硅基集成化的光學向量-矩陣乘法器，其特 征在于，該光學向量-矩陣乘法器采用絕緣體上硅SOI材料制備，構(gòu)成該 光學向量-矩陣乘法器的基本單元為納米線微環(huán)諧振器MRR，基本結(jié)構(gòu)為 NxN排布的帶熱調(diào)制機構(gòu)的MRR。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅基集成化的光學向量-矩陣乘法器， 其特征在于，所述納米線微環(huán)諧振器是直波導(dǎo)相互交叉結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振 器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅基集成化的光學向量-矩陣乘法器，其特 征在于，所述直波導(dǎo)相互交叉結(jié)構(gòu)的微環(huán)諧振器由兩個相互交叉的直波導(dǎo) 和一個環(huán)形波導(dǎo)構(gòu)成，該環(huán)形波導(dǎo)的外邊緣同時與相互交叉的兩個直波導(dǎo) 相切。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基集成化的光學向量-矩陣乘法器，其特 征在于，該光學向量-矩陣乘法器的功能實現(xiàn)過程是輸入端為N個MRR的直波導(dǎo)端口，輸入信號依原始向量而定，若原 始向量某元素為l，則對應(yīng)端口輸入含有N個波長成分的激光脈沖；若原 始向量某元素為0，則對應(yīng)端口不輸入任何信號；該光學向量-矩陣乘法器VMM中每一行或每一列的N個MRR在靜態(tài) 時諧振波長為、、X2.. AN中的一個，且互不相同，、、、..丄N依次間隔 利用熱光效應(yīng)對MRR進行調(diào)諧，每次調(diào)諧都將MRR的諧振波長調(diào)節(jié)至 非入卜^...^的任一波長處;在進行向量-矩陣乘法運算時，某MRR的諧振波長是否進行調(diào)節(jié)依賴 于原始矩陣；若原始矩陣某元素為1，則對相應(yīng)MRR不予調(diào)節(jié)；如果原 始矩陣某元素為0，則調(diào)節(jié)相應(yīng)的MRR;在VMM輸出端的N個端口收集光，所得光強依次為向量-矩陣乘法 所得結(jié)果向量的N個元素。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的硅基集成化的光學向量-矩陣乘法器，其特征在于，該光學向量-矩陣乘法器在采用DMAC算法時實現(xiàn)無符號定點數(shù) 乘，在采用DP算法時實現(xiàn)無符號定點整數(shù)向量-矩陣乘法。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的硅基集成化的光學向量-矩陣乘法器，其特 征在于，該光學向量-矩陣乘法器利用激光脈沖的有無表示數(shù)字信號的1 與0，當表示1時激光脈沖中含有N個波長成分，當表示0時不輸入任何 信號；VMM的N個輸入端對應(yīng)向量的N個元素，若向量某元素為l，則 對應(yīng)端口輸入含有N個波長成分的激光脈沖，若向量某元素為0，則對應(yīng) 端口不輸入信號；N個波長成分的激光脈沖由N個激光器通過合束得到。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基集成化的光學向量-矩陣乘法器，其特 征在于，該光學向量-矩陣乘法器中NxN排布的帶熱調(diào)制機構(gòu)的MRR與 NxN矩陣對應(yīng)，在靜態(tài)時，每一行及每一列的N個MRR均擁有不同的N 個諧振波長、、X2.. 同一行或同一列的N個MRR諧振波長互不相同； 若矩陣某元素為1，則相應(yīng)MRR不進行調(diào)節(jié)，保持靜態(tài)時波長；若矩陣 某元素為0，將相應(yīng)MRR調(diào)節(jié)至在、、^…人N處都不諧振。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基集成化的光學向量-矩陣乘法器，其特 征在于，該光學向量-矩陣乘法器可實現(xiàn)帶符號定點/浮點數(shù)乘。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基集成化的光學向量-矩陣乘法器，其特 征在于，該光學向量-矩陣乘法器作為運算器，與外圍集成的寄存器、控制 器一起，構(gòu)成協(xié)處理器或通用微處理器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅基集成化的光學向量-矩陣乘法器，該光學向量-矩陣乘法器由周期性排列的納米線微環(huán)諧振器構(gòu)成，用于實現(xiàn)N×N矩陣與N×1向量的乘法，其中N×N矩陣與N×1向量中的元素均為0或1。該光學向量-矩陣乘法器采用絕緣體上硅材料制備，構(gòu)成該光學向量-矩陣乘法器的基本單元為納米線微環(huán)諧振器(MRR)，基本結(jié)構(gòu)為N×N排布的帶熱調(diào)制機構(gòu)的MRR。本發(fā)明利用現(xiàn)成的工藝技術(shù)，使得器件體積小，功耗低，擴展性好，便于與電學元件集成；利用激光脈沖傳遞信息，速率高，延遲?。挥脭?shù)字方式進行信號處理，避免了模擬光計算系統(tǒng)的精度差、可編程能力弱的缺點；用高折射率差波導(dǎo)傳導(dǎo)光，避免了傳統(tǒng)光學向量-矩陣乘法器空間分集效率低下的問題。
文檔編號G06E1/04GK101630178SQ20081011674
公開日2010年1月20日 申請日期2008年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月16日
發(fā)明者劉育梁, 磊 張, 林 楊, 桐 王, 田賀斌, 耿敏明, 賈連希, 平 陳 申請人:中國科學院半導(dǎo)體研究所