[發明專利]一種可重構的光學微分方程組求解器

有效

• 申請號: 201710096510.7
• 申請日: 2017-02-22
• 公開（公告）號: CN107092578B
• 公開（公告）日: 2019-09-03
• 發明（設計）人: 張新亮;侯杰;董建績
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F17/12
• 分類號: G06F17/12;G06F17/13
• 代理公司: 北京眾達德權知識產權代理有限公司 11570
• 代理人: 劉杰

本發明公開了一種可重構的光學常微分方程組求解器。該求解器包括多個光學諧振腔、合束器、分束器、輸入波導、輸出波導及反饋波導。一路或多路光學脈沖作為自變量輸入，多路光學脈沖作為因變量輸出。本發明通過在級聯的光學諧振器之間引入反饋波導，實現不同變量之間的相互耦合，從而構建并求解復雜的常微分方程組。通過調節光學諧振腔耦合區的耦合系數，合束器的合光比以及分束器的分光比，調節方程的系數，實現不同形式的微分方程組或者不同階數的微分方程。本發明結構簡單、可擴展性好、工作速度快，利用現有的加工技術，使得器件體積小、功耗低、易與電學元件集成，有望在未來的高速光學計算系統中得到應用。

技術領域

本發明涉及光學行業光計算領域，更具體的，涉及一種可重構的微分方程組求解器。

背景技術

時至今日，信息處理技術的飛速發展已經給人們的生活帶來了巨大的影響和變革，計算機作為信息處理技術的基礎，已經得到了廣泛的應用，而隨著人類對自然系統更深入的研究和對人工系統更復雜的設計制造，尤其是對一些超快現象或者海量數據的分析，又給信息處理技術提出了更高的要求。因此，如何實現更高性能的計算迫在眉睫，也成為了當前的眾多科研人員的研究方向。

傳統的電子計算機的依然在不停的發展，芯片上晶體管的密度還在不斷增加，同時晶體管尺寸和工藝制程也在不斷減小，但值得注意的是，這些接近物理極限的小尺寸也帶來了新的問題。由于尺寸的縮小，晶體管柵極絕緣層厚度已經接近原子尺度，制作工藝的誤差可能會帶來晶體管性能的不穩定以及漏電流的產生，而更為嚴重的是，芯片內銅互連線尺寸和間距的減小，引入了更大的電阻和電容，這不僅極大的限制了整個芯片的工作速率，也導致了更大的能耗。目前，光互聯技術的發展和實用一定程度上緩解了電互聯的問題，但光傳輸與電芯片處理之間的速率失配，依然制約著計算性能的整體提高。針對這些問題，基于一些新機理的計算已經逐漸成為了研究熱點，這其中，光計算因為超高的處理速率，以及能夠完全避免現有的光電轉換帶來的速率瓶頸，有希望成為取代電計算或者改善現有的電計算的最有效的手段之一。同時，近年來不斷發展和成熟的硅光子技術等集成光電子技術，為大規模光學器件的集成提供了條件，也進一步為光計算的發展奠定了基礎。

為了促進光計算向實用化邁進，研制出一些基本的運算功能單元尤為重要，比如微分運算單元、微分方程求解單元、微分方程組求解單元等等。微分方程(組)作為動態系統的數學模型，在經濟學、社會學、天文學、控制學等諸多領域具有重要的作用。而以二進制數的四則運算為基礎的計算機在解決此類問題時，只能是將微分轉化為差分運算，這樣一來大大增加了數據的復雜程度和處理時間，對于很多快速變化或者龐大的系統分析是不適用的。因此結合光計算的速度優勢，開發出能夠高速的直接求解微分方程(組)的運算單元非常必要。更進一步，由于在系統分析中往往涉及到許多的中間變量，或者多輸出-多輸出的場景，微分方程組的求解相對于單一的微分方程的求解，又更具有實際意義。

目前針對光學微分器和光學常微分方程求解已經有較多的研究，已經有技術能夠實現處理速度高達THz量級的光學微分器，以及系數可調的一階、二階常微分方程的光學求解。而針對光學常微分方程組的求解，目前還沒有任何的研究和解決方案。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明提供了一種可重構的光學常微分方程組求解器，以構造不同形式的光學常微分方程組并實現求解。