一种基于布拉格光栅的片上光电混合卷积加速器

本发明属于光电卷积计算领域，尤其涉及一种基于布拉格光栅的片上光电混合卷积加速器。

背景技术：

1、卷积运算在特征提取中有着重要的应用，其可以有效地提取语音信号、图像信号的特征，是语音识别、目标识别等应用中广泛应用的信号处理方法。

2、传统的卷积运算是基于通用计算机进行的，其运算速度取决于计算机硬件条件。随着信息的爆炸式增长对于小型化高速信息处理提出更高要求。受限于电子的迁移速率，传统基于电子计算机处理芯片的卷积运算速率无法进一步突破，这使得需要大规模卷积运算的应用受到制约。为了解决这一问题，国内外学者提出以光子运动替代电子迁移实现运算，即光学卷积运算。由于光子的运动速度远高于电子迁移速率，因此光学卷积运算的处理速度将得到大幅度提高。

3、光学卷积运算主要包括全光卷积运算及光电混合卷积运算。全光卷积运算采用光学4f系统来实现，该方案仅能处理图像信息的卷积运算，且结构松散，难以实现小型化。而光电混合卷积运算架构采用光波导调制实现卷积运算，图像或语音信息通过时分与波分复用的方法加载到系统中，通过波导中的调制结构设计卷积核的权重，此时光波导输出端口输出光强代表的是卷积窗口的单次运算结果。通过时域调制实现卷积窗口的“滑动”求值。

4、现有的光电混合卷积核的波导调制方式存在一些缺陷，在一定程度上限制其发展。如基于微环谐振腔的光电混合卷积核稳定性较差、易受环境干扰，基于多模光波导的光电混合卷积核精度受限等。

技术实现思路

1、本发明主要解决的技术问题是提供一种基于布拉格光栅的片上光电混合卷积加速器，利用波分复用和电光调制技术，将一维化的输入数据加载到多个波长的光信号上；利用波导布拉格光栅的空间滤波特性和可调谐性，可以实现任意权重的卷积计算。并且，利用光信号作为数值计算媒介，可大大提升卷积计算速度，同时具有更高的稳定性。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于布拉格光栅的片上光电混合卷积加速器，包括：片上多波长激光器、光电编码模块、基于波导布拉格光栅的可重构光电卷积核、片上光电探测器、片上模数转换器和信号转换与控制模块，所述片上多波长激光器、光电编码模块、基于波导布拉格光栅的可重构光电卷积核、片上光电探测器、片上模数转换器依次电性连接并集成于单个硅基芯片上，所述光电编码模块和所述基于波导布拉格光栅的可重构光电卷积核与所述信号转换与控制模块电性连接；

4、所述光电编码模块包括依次电性连接的波分解复用器、片上电光强度调制阵列、波分复用器，所述片上电光强度调制阵列用于将待处理的信息转换为一维模拟信号，该信号为时域强度调制的光信号；

5、所述片上电光强度调制阵列中电光强度调制器数量与卷积核矩阵元素个数相等，用于将一维信号调制到光信号上；

6、所述基于波导布拉格光栅的可重构光电卷积核用于将输入的编码的光信号进行卷积运算；

7、所述片上光电探测器用于接收卷积运算得到的光信号并转换为电信号，所述片上光电探测器输出的电信号输入到所述片上模数转换器将信号转换成计算机可处理的数字信号；

8、所述信号转换与控制模块用于将输出的射频信号转换成不同时延的电学信号，用于加载在片上电光强度调制阵列中，此外产生卷积核的控制电信号，二者需要进行时钟同步；当一维数据信号完成一次加载后才可进行一次卷积核控制信号的调控。

9、本技术方案进一步的优化，所述基于波导布拉格光栅的可重构光电卷积核包括y型波导分束器、波导布拉格光栅阵列、π相移光波导、y型波导合束器，所述y型波导分束器的两端分别与波导布拉格光栅阵列的左端和π相移光波导的左端电性连接，所述波导布拉格光栅阵列的右端和π相移光波导的右端分别与所述y型波导合束器的两端电性连接。

10、本技术方案进一步的优化，所述y型波导分束器用于将输入的多波长光信号按2：1的比例分割为两束多波长光信号，第一束多波长光信号具有2/3的初始光功率，第二束多波长光信号具有1/3的初始光功率；第一束多波长光信号进入波导布拉格光栅阵列进行权重调制，第二束多波长光信号进入π相移波导使光信号产生一个π相位延迟，两束多波长光信号再经过y型波导合束器实现光信号的相干相减，从而实现卷积核的负数权重。

11、本技术方案进一步的优化，所述波导布拉格光栅阵列中波导布拉格光栅数量与卷积核矩阵元素数量相同，通过调节波导布拉格光栅的谐振波长调节卷积核中的一个权重值。

12、本技术方案进一步的优化，所述波导布拉格光栅阵列中每个波导布拉格光栅采用铌酸锂薄膜刻蚀而成，并在其两侧加工电极，通过在每个波导布拉格光栅施加可编程电压来改变其谐振波长，以此改变每个波导布拉格光栅的透过率，从而实现卷积核的可重构。

13、本技术方案进一步的优化，所述波导布拉格光栅阵列使用多个不同谐振波长的波导布拉格光栅串联构成，波导布拉格光栅的谐振波长依次与所述片上多波长激光器产生的激光的波长相等。

14、本技术方案进一步的优化，所述波导布拉格光栅阵列相当于一个n×n卷积核，每个波导布拉格光栅对应于卷积核中的一个权重值。

15、本发明中，卷积核矩阵选用3×3的尺寸，减少卷积核大小将降低计算精度，增大卷积核将增大卷积加速器芯片的尺寸。

16、本发明的有益效果：

17、利用波分复用和电光调制技术，将一维化的输入数据加载到多个不同波长的光信号上；利用铌酸锂波导布拉格光栅的滤波特性和电光可调谐性，以及利用光信号π相移的相干相减，实现任意权重的卷积计算。该卷积加速器利用光信号作为数值计算媒介，大大提升了卷积计算速度，同时具有更高的稳定性。

技术特征：

1.一种基于布拉格光栅的片上光电混合卷积加速器，其特征在于，包括：片上多波长激光器、光电编码模块、基于波导布拉格光栅的可重构光电卷积核、片上光电探测器、片上模数转换器和信号转换与控制模块，所述片上多波长激光器、光电编码模块、基于波导布拉格光栅的可重构光电卷积核、片上光电探测器、片上模数转换器依次电性连接并集成于单个硅基芯片上，所述光电编码模块和所述基于波导布拉格光栅的可重构光电卷积核与所述信号转换与控制模块电性连接；

2.根据权利要求1所述的基于布拉格光栅的片上光电混合卷积加速器，其特征在于，所述基于波导布拉格光栅的可重构光电卷积核包括y型波导分束器、波导布拉格光栅阵列、π相移光波导、y型波导合束器，所述y型波导分束器的两端分别与波导布拉格光栅阵列的左端和π相移光波导的左端电性连接，所述波导布拉格光栅阵列的右端和π相移光波导的右端分别与所述y型波导合束器的两端电性连接。

3.根据权利要求2所述的基于波导布拉格光栅的可重构光电卷积核，其特征在于，所述y型波导分束器用于将输入的多波长光信号按2：1的比例分割为两束多波长光信号，第一束多波长光信号具有2/3的初始光功率，第二束多波长光信号具有1/3的初始光功率；第一束多波长光信号进入波导布拉格光栅阵列进行权重调制，第二束多波长光信号进入π相移波导使光信号产生一个π相位延迟，两束多波长光信号再经过y型波导合束器实现光信号的相干相减，从而实现卷积核的负数权重。

4.根据权利要求2所述的基于波导布拉格光栅的可重构光电卷积核，其特征在于，所述波导布拉格光栅阵列中波导布拉格光栅数量与卷积核矩阵元素数量相同，通过调节波导布拉格光栅的谐振波长调节卷积核中的一个权重值。

5.根据权利要求2所述的基于波导布拉格光栅的可重构光电卷积核，其特征在于，所述波导布拉格光栅阵列中每个波导布拉格光栅采用铌酸锂薄膜刻蚀而成，并在其两侧加工电极，通过在每个波导布拉格光栅施加可编程电压来改变其谐振波长，以此改变每个波导布拉格光栅的透过率，从而实现卷积核的可重构。

6.根据权利要求2所述的基于波导布拉格光栅的可重构光电卷积核，其特征在于，所述波导布拉格光栅阵列使用多个不同谐振波长的波导布拉格光栅串联构成，波导布拉格光栅的谐振波长依次与所述片上多波长激光器产生的激光的波长相等。

7.根据权利要求2所述的基于波导布拉格光栅的可重构光电卷积核，其特征在于，所述波导布拉格光栅阵列相当于一个n×n卷积核，每个波导布拉格光栅对应于卷积核中的一个权重值。

技术总结
本发明属于光电卷积计算领域，尤其涉及一种基于布拉格光栅的片上光电混合卷积加速器，它包括片上多波长激光器、光电编码模块、基于波导布拉格光栅的可重构光电卷积核、片上光电探测器、片上模数转换器、信号转换与控制模块，以上模块集成于同一硅基芯片上。本发明利用波分复用和电光调制技术，将一维化的输入数据加载到多个不同波长的光信号上；利用铌酸锂波导布拉格光栅的滤波特性和电光可调谐性，以及利用光信号π相移的相干相减，实现任意权重的卷积计算。该卷积加速器利用光信号作为数值计算媒介，大大提升了卷积计算速度，同时具有更高的稳定性。

技术研发人员：林炜,蔡楷腾,任凯文,曾威荣,段少祥,刘波,张昊
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21