[發明專利]大容量光電混合可編程邏輯運算芯片

有效

• 申請號: 202110515062.6
• 申請日: 2021-05-12
• 公開（公告）號: CN113267911B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 董建績;張文凱;周海龍
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G02F1/03
• 分類號: G02F1/03;G02F1/035;G02F1/21;G02F3/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 徐美琳

本發明公開了大容量光電混合可編程邏輯運算芯片，屬于集成光計算領域。該運算芯片包括非線性矩陣映射區和4×4線性可編程矩陣區，非線性矩陣映射區用于將電學數據信號加載到光波上并同時將輸入的光信號和電信號從二維空間映射到四維空間中，4×4線性可編程矩陣區用于將四維空間的信號做線性矩陣運算，從而對輸入的兩路信號同時完成4種不同的邏輯操作。進一步，引入波分復用技術實現多波長并行運算，使得芯片的總運算速率達到Tbit/s量級。此外，通過調節4×4線性可編程矩陣區的內部參數，可以控制其實現任意4×4矩陣光傳輸，從而實現任意布爾邏輯操作，拓展了該邏輯運算芯片的應用范圍。

技術領域

本發明屬于集成光計算領域，更具體地，涉及大容量光電混合可編程邏輯運算芯片。

背景技術

隨著信息社會的快速發展和第五代(5G)移動通信技術的普及，各行各業都需要產生、存儲和傳輸大量的數據，對數據處理的需求量也越來越大。然而，電子計算晶體管作為數字邏輯計算的基礎單元，其集成密度已經接近摩爾定律的極限，傳統的電學數字計算已經很難滿足需求。而光具有超大帶寬、超高頻率以及低功耗的特性，且光子存在多個維度，可以并行處理數據，這使得光計算成為數據處理的極具競爭力的替代手段之一。

目前的光學邏輯器件分全光邏輯和電光邏輯兩類，全光邏輯由于需要引入非線性效應，使得每單位邏輯門運算所產生的功耗巨大，難以級聯和拓展。而電光邏輯器件雖然每單位邏輯門運算的功耗較小，但是由于光學結構固定，也很難級聯和拓展。同時，現有的全光和電光邏輯一般只能實現一些特定的邏輯功能，通用性差，并且都很難引入波分復用等技術實現并行運算，運算速率只能局限在Gbit/s量級。如果將可編程的思路引入電光邏輯器件中，其低功耗和通用性的特點也會為后續器件的拓展和級聯創造條件。因此，開發一種引入波分復用技術實現并行高速運算，并且可以通過編程實現任意邏輯操作的大容量光電混合可編程邏輯運算芯片有重要的實用價值。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供大容量光電混合可編程邏輯運算芯片，旨在實現可編程的電光任意邏輯運算。

為實現上述目的，本發明提供了一種大容量光電混合可編程邏輯運算芯片，該邏輯運算芯片包括非線性矩陣映射區和4×4線性可編程矩陣區，其中，非線性矩陣映射區用于把電信號加載到光波上并同時將輸入的光信號和電信號從二維空間映射到四維空間中，所述4×4線性可編程矩陣區用于將屬于四維空間的信號做線性矩陣變換，從而可以對輸入的光信號和電信號完成對應的邏輯操作。

優選地，非線性矩陣映射區包括第一耦合光柵、第二耦合光柵、第一MMI(Multi-Mode Interference)3dB分光器、第二MMI 3dB分光器和電光調制器，所述第一耦合光柵和第二耦合光柵為光的入口，其中，參考連續光(恒為邏輯1信號)從第一耦合光柵輸入，經第一MMI 3dB分光器分束后一路進入電光調制器的上端，一路經光波導直接輸入所述4×4線性可編程矩陣區，信號光(包含邏輯01序列)從第二耦合光柵輸入，經第二MMI 3dB分光器分束后一路進入電光調制器的下端，一路經光波導直接輸入所述4×4線性可編程矩陣區，所述電光調制器包括電極，微環波導和耦合波導，所述電極為電信號的入口，電信號經所述電極后進入到所述微環波導的PIN結中，所述耦合波導用于將從所述耦合光柵進入的光耦合輸入所述微環波導中，所述微環波導中的PIN結接收所述電信號后將載流子注入所述微環波導的波導中使得該波導的折射率發生改變，折射率發生改變后的所述波導即可對光進行調制，其中，所述電光調制器對其上端輸入的連續光進行調制，從而將電信號轉換為光信號；所述電光調制器同時對其下端輸入的信號光進行調制，進行邏輯與運算，從而完成非線性操作，最后輸入到所述4×4線性可編程矩陣區，光信號與電信號在經過所述非線性映射區后便可完成從二維空間到四維空間的非線性映射。

進一步地，所述4×4線性可編程矩陣區由16個MZI(片上2×2馬赫-曾德爾干涉儀)和4個耦合光柵(第三耦合光柵、第四耦合光柵、第五耦合光柵、第六耦合光柵)組成，信號經所述4×4線性可編程矩陣區可同時進行四種不同的邏輯運算操作，再以光的形式分別從所述四個耦合光柵輸出。