一种光计算设备、光运算方法以及计算系统
阅读说明：本技术 一种光计算设备、光运算方法以及计算系统 (Optical computing device, optical computing method and computing system ) 是由 褚雅妍 董晓文 于 2019-12-20 设计创作，主要内容包括：一种光计算设备、光运算方法以及计算系统,该光计算设备包括分光器、N-1个第一波导、一个第二波导以及一个合束器。分光器可以将接收的连续光分为N路光信号,并将N路光信号分别传输到N-1个第一波导和一个第二波导中,每个第一波导接收一路相干光,第二波导接收一路相干光。N-1个第一波导调整接收到的N-1路相干光的振幅和相位。第二波导调整接收的一路光信号的相位。合束器可以将N-1个第一波导以及第二波导输出的相干光合并为一路光信号。第一波导能够调整相干光的振幅和相位,使得该光计算设备能够实现带符号乘法运算,且由于该光计算设备中借助了第一波导和第二波导,能够有效减少光计算设备所占用的体积。(An optical computing device includes an optical splitter, N-1 first waveguides, a second waveguide, and a beam combiner. The optical splitter can split the received continuous light into N paths of optical signals, and transmit the N paths of optical signals to N-1 first waveguides and one second waveguide respectively, where each first waveguide receives one path of coherent light, and the second waveguide receives one path of coherent light. The N-1 first waveguides adjust the amplitude and phase of the received N-1 coherent light beams. The second waveguide adjusts the phase of the received optical signal. The beam combiner can combine the coherent light output by the N-1 first waveguides and the coherent light output by the second waveguides into one path of optical signal. The first waveguide can adjust the amplitude and the phase of coherent light, so that the optical computing equipment can realize signed multiplication, and the optical computing equipment can effectively reduce the occupied volume of the optical computing equipment by means of the first waveguide and the second waveguide.)
本申请要求在2019年11月1日提交中华人民共和国知识产权局、申请号为201911061911.4、发明名称为“一种片上集成乘加器”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请涉及信息技术领域，尤其涉及一种光计算设备、光运算方法以及计算系统。
背景技术
乘加运算是一种基础运算，乘加运算中将多个乘法结果相加获取最后的结果，乘加器是实现乘加运算的计算单元，乘法累加器的种类有许多，其中，光学乘加器鉴于其采用了光学方法，具备了高效，低功耗的优点。
目前，常见的光学乘加器的实现方式主要是基于光纤系统的光学乘加器。这种光学乘加器中包括由通过光纤连接的多个声光调制器构成的声光调制器阵列以及多个探测器。这种基于光纤实现的光学乘加器实现乘加运算的过程中，可以先通过声光调制器阵列在多路光信号上调制信号，实现乘法运算。然后利用多个探测器分别接收声光调制器阵列调制后的光信号，并将接收的光信号转换为电信号，并将多个探测器获得的多个电信号进行叠加，以实现加法运算，从而获得计算结果。
由于现有技术中的光学乘加器利用了光纤系统作为光信号的传输载体，导致该种光学乘加器体积和功耗都较大。并且，由于该种光学乘加器中的加法运算部分是通过电学完成的，运算效率并不高。
发明内容
本申请提供一种光计算设备、光运算方法以及计算系统，用以提供一种体积较小，扩展性较高的乘加器。
第一方面，本申请提供了一种光计算设备，该光计算设备包括分光器、N-1个第一波导以及合束器。所述分光器分别连接N-1个第一波导的输入端，所述合束器分别连接N-1个第一波导的输出端。所述分光器可以将接收的连续光分为N路光信号，并将N路光信号分别传输到N-1个第一波导和一个第二波导中，其中，每个第一波导接收一路光信号，所述第二波导接收一路光信号。所述N-1个第一波导具备振幅调制功能，可以根据设置的振幅参数调整接收到的N-1路光信号的振幅，输出N-1路中间光信号。其中，每个第一波导设置有至少两个振幅参数。所述至少两个振幅参数用于指示待进行的乘法运算的相同数量的数据，该第一波导输出的中间光信号可以指示该至少两个振幅参数所指示的数据的乘积。所述合束器接收N-1路中间光信号，将N-1路中间光信号合并为第一光信号。
在本申请提供的设备中，通过第一波导调整光信号的振幅，使得该光计算设备能够实现乘法运算。并且，N-1个第一波导输出的N-1路中间光信号经过合束器，合束器能够对N-1路中间光信号进行合束，使得该光计算设备能够实现加法运算，保证该光计算设备能够实现乘加运算。由于该光计算设备中采用波导来实现乘加运算，能够有效减少光计算设备所占用的体积和功耗，提高了该光计算设备的扩展性，进而使得该光计算设备能够计算的数据量更大。
在一种可能的设计中，该光计算设备还可以包括第二波导以及一个合束器。分光器可以连接第二波导的输入端，合束器连接第二波导的输出端。
分光器将接收的连续光分为N路光信号，将N路光信号分别传输到N-1个第一波导和一个第二波导中，N-1个第一波导接收N-1路光信号，第二波导接收除N-1路光信号外的一路光信号。
N-1个第一波导调整接收到的N-1路光信号后，可以根据设置的振幅参数调整N-1路光信号的振幅，根据设置的相位参数调整第一波导输出的光信号的相位，该相位参数可以指示该第一波导输出的中间光信号所指示的数据的乘积的和的正负值。
第二波导接收到光信号后，可以调整该路光信号的相位，输出第二光信号，该第二光信号到达合束器的相位为第一相位。
合束器可以N-1个第一波导输出的N-1路以及第二波导输出的第二光信号合并为第三光信号。
在本申请提供的设备中，通过第一波导调整光信号的振幅，使得该光计算设备能够实现乘法运算。又由于第一波导还具备调整光信号相位的功能，能够改变光信号的相位，为每个乘法运算的结果附加符号。之后经过合束器能够对第一波导以及第二波导输出的光信号进行合束，使得该光计算设备能够实现带符号的加法运算。由于第二波导能够调整光信号的相位，能够改变最终合束器输出的光信号的光强，借助第二波导可以确定第一波导输出的中间光信号合束后的光信号的振幅(也就是乘加运算的结果)，保证该光计算设备能够实现带符号的乘加运算。同样的，由于该光计算设备中采用波导来实现乘加运算，能够有效减少光计算设备所占用的体积和功耗，确保了该光计算设备的扩展性，使得光计算设备所能实现的计算量增大。
在一种可能的设计中，第二波导还可以再次调整接收的第N路光信号的相位，将接收的一路光信号调整为第四光信号，第四光信号到达所述合束器的相位为第二相位；
所述合束器之后将N-1个第一波导输出N-1路中间光信号以及第四光信号合并为第五光信号。
在本申请提供的设备中，由于第二波导能够多次调整光信号的相位，能够输出多个不同的光信号(如第二光信号和第四光信号)，使得合束器输出的光信号的光强发生变化，以使得该光计算设备能够实现带符号的乘加运算。
在一种可能的设计中，该光计算设备中还可以包括探测器和处理电路，该探测器可以探测合束器输出的光信号(如第一光信号、第三光信号以及第五光信号)的光强。处理电路能够从探测器获取合束器输出的光信号的光强，根据该光强确定N-1路中间光信号所指示的数据的乘积的和。
例如，处理电路可以直接根据第一光信号的光强确定N-1路中间光信号所指示的数据的乘积的和，也就是不带符号的乘加运算的计算结果。处理电路还可以直接根据第三光信号的光强和第五光信号的光强确定N-1路中间光信号所指示的数据的乘积的和，也就是带符号的乘加运算的计算结果。
在本申请提供的设备中，处理电路可以较为便捷的通过合束器输出的光信号的光强确定乘加运算的计算结果，消耗的资源较少，确定方式更加便捷，可以有效提高光计算设备实现乘加运算的效率。
在一种可能的设计中，每个第一波导包括至少两个振幅调制单元，用于实现乘加运算中的一组乘法运算。
任一振幅调制单元可以根据一个振幅参数调整接收到的光信号的振幅，该一个振幅参数可以指示所需实现的乘加运算中一个需要实现的乘法运算的一个数据。
本申请提供的设备中，第一波导能够通过调整振幅的方式实现乘法运算，使得乘法运算的实现更加简单、高效。
在一种可能的设计中，每个第一波导包括两个振幅调制单元，分别为第一振幅调制单元和第二振幅调制单元，第二振幅调制单元的输入端连接第一振幅调制单元输出端。
第一振幅调制单元可以根据第一振幅参数调整所述光信号的振幅。之后，第二振幅调制单元可以根据第二振幅参数调整第一振幅调制单元调整后的光信号的振幅。
在一种可能的设计中，第一波导还包括第一相位调制单元，一个第一相位调制单元和至少两个振幅调制单元串联连接。这里不限定第一相位调制单元和至少两个振幅调制单元的连接顺序。第一波导中的各个单元对前一个单元输出的光信号进行调整。
第一相位调制单元能够根据相位参数调整接收到的光信号的相位，使调整相位后的光信号(也即中间光信号)与参考光到达所述合束器时的相位的差为0或π，其中，参考光为N路光信号中的一路光信号。
本申请提供的设备中，第一波导能够通过调整振幅的方式实现乘法运算，通过调整相位的方式为乘法运算的结果附加符号，乘法运算的实现更加简单、高效。
在一种可能的设计中，第一相位调制单元可以预先进行校准，以确定能够将光信号和参考光到达合束器时的相位差调整为0或π的第一相位参数。之后，在实际进行乘加运算时，可以直接根据第一相位参数将中间光信号与参考光到达合束器时的相位差调整为0或π。
在本申请提供的设备中，第一相位参数由于是预先确定的，能够使得第一相位调制单元可以更加精准的控制中间光信号和参考光到达合束器时的相位差。
在一种可能的设计中，第二波导包括第二相位调制单元。第二相位调制单元可以调整接收到的光信号的相位，使调整相位后的光信号到达合束器时的相位为第一相位或第二相位，参考光为N路光信号中的一路光信号。
这里不限定第一相位和第二相位的具体数值，第一相位和第二相位需满足如下条件之一：
条件一、第一相位与参考光到达所述合束器时的相位的差为0，第二相位与参考光到达所述合束器时的相位的差为π。
条件二、第一相位与参考光到达所述合束器时的相位的差为π，第二相位与参考光到达所述合束器时的相位的差为0。
在本申请提供的光计算设备中，第二波导仅需要调整光信号的相位，改变输出的光信号与参考光到达合束器时的相位差，以改变合束器输出的光信号的光强。也就是说，光信号与参考光到达合束器时的不同相位差，使得合束器输出不同的光信号，通过不同相位差下合束器输出的光信号的光强，可以方便、直接的确定N-1个中间光信号合束后的光信号的所指示的数据的乘积之和的正负值。
在一种可能的设计中，第二相位调制单元可以预先进行校准，已确定能够将光信号和参考光到达合束器时的相位差调整为0或π的第二相位参数。之后，在实际进行乘加运算时，可以直接根据第二相位参数将光信号与参考光到达合束器时的相位差调整为0或π。
在本申请提供的设备中，第二相位参数由于是预先确定的，能够使得第为相位调制单元可以更加精准的控制光信号和参考光到达合束器时的相位差。
在一种可能的设计中，该光计算设备中还包括激光器，激光器与分光器连接，能够产生连续光，激光器将该连续光输出值分光器。其中，激光器为单纵模半导体激光器。
在本申请提供的设备中，利用激光器能够产生单一频率的连续光，便于后续处理。
在一种可能的设计中，振幅调制单元为EAM、SOA或VOA。
在一种可能的实现方式中，合束器为MMI或级联Y分支；分光器为MMI或级联Y分支。
第二方面，本申请提供了一种光运算方法，有益效果可以参见第一方面的相关描述，此处不再赘述。该方法由光计算设备执行，分光器将接收的连续光分为N路光信号；N-1个第一波导接收N路光信号中的N-1路光信号，根据设置的振幅参数调整该N-1路光信号的振幅，输出N-1路中间光信号，其中，每个第一波导接收一路光信号，每个第一波导中设置有至少两个振幅参数，至少两个振幅参数可以指示待进行乘法计算的至少两个数据，这样，每个第一波导输出的中间光信号可以指示第一波导中设置的至少两个振幅参数对应的至少两个数据的乘积；
合束器接收N-1路中间光信号，将N-1路中间光信号合并为第一光信号，第一光信号可以指示N-1路中间光信号所指示的数据的乘积的和。
在一种可能的设计中，N-1个第一波导中的每个第一波导还可以根据设置的相位参数调整第一波导输出的光信号的相位；第一波导输出的光信号的相位能够指示中间光信号所指示的乘积的正负值。
第二波导接收N路光信号中的第N路光信号，调制第N路光信号的相位，可以将接收的第N路光信号调整为第二光信号，第二光信号到达合束器的相位为第一相位；
之后，合束器可以将的N-1路中间光信号以及第二光信号合并为第三光信号。
在一种可能的设计中，第二波导还可以再次对第N路光信号的相位进行调整，将接收的第N路光信号调整为第四光信号，第四光信号到达合束器的相位为第二相位；
之后，合束器将N-1路中间光信号以及第四光信号合并为第五光信号。
在一种可能的设计中，探测器可以探测第一光信号的光强；处理电路可以根据探测器输出的第一光信号的光强获得N-1路中间光信号所指示的数据的乘积的和。
探测器还可以探测第三光信号的光强以及探测第五光信号的光强；处理电路根据探测器输出的第三光信号的光强以及第五光信号的光强获得N-1路中间光信号所指示的数据的乘积的和。
在一种可能的设计中，第一相位与参考光到达合束器时的相位的之差为0，第二相位与参考光到达合束器时的相位的之差为π，参考光为N路光信号中的一路光信号。或第一相位与参考光到达合束器时的相位的之差为π，第二相位与参考光到达合束器时的相位的之差为0，参考光为N路光信号中的一路光信号。
第三方面，本申请提供了一种计算系统，所述计算系统可以包括处理器和如第一方面或第一方面的任意一种可能的实现方式中所述的光计算设备。
处理器可以向光计算设备发送待进行乘加运算的数据。具体的，该待进行乘加运算的数据中包括N-1组数据，每组数据包括该乘加运算中的待进行乘法运算的至少两个数据。所述光计算设备接收到该待进行乘加运算的数据后，可以根据一组数据设置第一波导的振幅参数，可选的，还可以设置相位参数。之后，该光计算设备进行光计算，输出该乘加运算的计算结果，将该计算结果反馈给处理。
附图说明
图1为本申请提供的一种光计算设备的结构示意图；
图2为本申请提供的另一种光计算设备的结构示意图；
图3为本申请提供的一种第一波导的结构示意图；
图4为本申请提供的一种第二波导的结构示意图；
图5为本申请提供的一种光运算方法示意图；
图6为本申请提供的一种光运算方法示意图；
图7为本申请提供的一种计算系统示意图。
具体实施方式
本申请提供了一种光计算设备和光运算方法，用以提供一种体积较小、扩展性高的光学乘加器。
如图1所示为本申请实施例提供的一种光计算设备，该光计算设备包括分光器110、N-1个第一波导120、合束器130。
分光器110分别与N-1个第一波导120连接，分光器110可以将接收到的连续光分为N路光信号，之后将这N路光信号中的N-1路光信号分别传输至N-1个第一波导120；其中，一个第一波导120接收N-1路光信号中的一路光信号。
N-1个第一波导120可以根据振幅参数调整接收到的N-1路光信号的振幅，输出N-1路中间光信号。
对于N-1个第一波导120中的任一第一波导120，该第一波导120接收到N-1路光信号中的一路光信号，根据设置的至少两个振幅参数调整该路光信号的振幅，输出一路中间光信号。该至少两个振幅参数可用于指示带进行乘法运算的至少两个数据，一个振幅参数至少一个数据，这样输出的一路中间光信号可以指示该指示两个数据的乘积。
合束器分别连接N-1个第一波导，接收N-1个第一波导120输出的N-1路中间光信号，将N-1路中间光信号合并为第一光信号，N第一光信号用于指示所述N-1路中间光信号所指示的数据的乘积的和。
在本申请实施例中，第一波导120具备振幅调制功能，能够对接收到的光信号的振幅进行调整。可选的，第一波导120也可以具备相位调制功能，N-1个第一波导120可以调整N-1路光信号的相位，使第一波导120输出中间光信号的相位相同。
以光计算设备所要实现的乘加运算为:(其中，N-1个XiWi的符号相同，可以均为正号，也可以均为负号)为例，该光计算设备利用N-1个第一波导120对N-1路光信号的振幅进行调整，实现该乘加运算中的N-1个乘法运算，其中，每个第一波导120根据振幅参数对N-1路光信号中的一路光信号的振幅进行调整，该振幅参数指示XiWi，这样中间光信号的振幅可以指示N-1个乘法运算中一个乘法运算XiWi。之后，N-1个第一波导120输出的中间光信号在合束器140中合束之后，输出第一光信号，该第一光信号的振幅为指示了N-1个乘积的和。
在本申请实施例中，由于第一波导120能够调整光信号的振幅，使得该光计算设备能够实现不带符号的乘法运算，之后经过合束器140能够对第一波导120输出的中间光信号进行合束，使得该光计算设备能够实现加法运算，保证该光计算设备能够实现不带符号的乘加运算(每个乘法运算的结果的符号相同)。由于该光计算设备中借助了第一波导120，能够有效缩小光计算设备所占用的体积，提高了该光计算设备的扩展性，进而使得该光计算设备能够计算的数据量更大。
如图1所示的光计算设备中能够实现不带符号的乘加运算(每个乘法结果可以为正数，也可以为负数)，为了实现带符号的乘加运算，对如图1所示的光计算设备进行改进，如图2所示，为本申请实施例提供的另一种光计算设备，该光计算设备包括分光器110、N-1个第一波导120、一个第二波导140以及合束器130。
分光器110分别与N-1个第一波导120以及一个第二波导140连接，分光器110可以将接收到的连续光分为N路光信号，之后将这N路光信号分别传输至N-1个第一波导120以及一个第二波导140；其中，一个第一波导120接收N路光信号中的一路光信号，N-1个第一波导120接收N-1路光信号，第二波导140接收N路光信号中除N-1路光信号外的一路光信号，也即第N路光信号。
N-1个第一波导120中的任一第一波导120在接收到N路光信号中的一路光信号后，除了根据振幅参数调整该路光信号的振幅(第一波导120调整该路光信号的振幅的方式可以参见前述内容，此处不再赘述)，还可以根据相位参数调整接收到的该路光信号相位。之后，第一波导120输出调整了相位以及振幅后的光信号，在如图2所示的光计算设备中，第一波导120输出的光信号也可以称为中间光信号。其中，每个第一波导120上设置有相位参数，该相位参数指示中间光信号所指示的至少两个数据的乘积的正负值。以光计算设备所要实现的乘加运算为:为例，一个第一波导120设置的相位参数指示的是XiWi的正负值。
第二波导140在接收到第N路光信号后，可以调整接收到的该路光信号的相位，输出调整了相位的光信号，该光信号到达合束器的相位可以为第一相位或第二相位。也就是说，第二波导140与第一波导120不同，可以只对接收到的光信号的相位进行调整。
合束器130分别连接N-1个第一波导120和一个第二波导140，接收N-1个第一波导120输出的N-1个中间光信号和第二波导140输出的光信号，可以将N-1个中间光信号和第二波导140输出的光信号合并为一路光信号。
可选的，该光计算设备中还可以包括探测器150，探测器150可以探测合束器输出的光信号的光强。探测器150可以是光伏型探测器，也可以是光电导探测器。
以光计算设备所要实现的乘加运算为:为(这里不限制XiWi的符号，可以为正号，也可以为负号)例，该光计算设备利用N-1个第一波导120对N-1路光信号的振幅和相位的调整，实现该乘加运算中的N-1个乘法运算，其中，每个第一波导120对N-1路光信号中的一路光信号的振幅进行调整，实现N-1个乘法运算中一个乘法运算XiWi，也就是说，调整了振幅后的该路光信号的振幅即为该乘法运算的结果。每个第一波导对N-1路光信号中的一路光信号的相位进行调整，为该乘法运算XiWi前添加符号(如正号、或负号)。之后，N-1个中间光信号在合束器130中合束之后，输出光信号A，该光信号A的振幅可以指示由于探测器150所探测的光信号的光强即为光信号的振幅的平方，不能区分光信号的振幅的符号，为此，在光计算设备中增加了第二波导140，第二波导140能够调整第N路光信号的相位，该光计算设备可以通过第二波导140调整一路光信号的相位，进而改变N-1个中间光信号与第二波导140在合束器130中合束后的一路光信号的振幅大小，进而改变该路光信号的光强，通过光强的变化确定光信号A的符号(具体确定符号的方式可参见后文中描述)。
在本申请实施例中，由于第一波导120能够调整光信号的振幅，使得该光计算设备能够实现乘法运算；又由于第一波导120还具备调整光信号相位的功能，能够改变光信号的相位，为每个乘法运算的结果附加符号；之后经过合束器130能够对第一波导120以及第二波导140输出的光信号进行合束，使得该光计算设备能够实现带符号的加法运算。由于第二波导140能够调整光信号的相位，能够改变最终合束器输出的光信号的光强，借助第二波导140可以确定第一波导120输出的光信号合束后的光信号的振幅的正负，保证该光计算设备能够实现带符号的乘加运算。同样的，由于该光计算设备中借助了第一波导120和第二波导140，能够有效缩小光计算设备所占用的体积，改善该光计算设备的扩展性，提升该光计算设备所能计算的数据量。
在如图2所示的光计算设备中，第二波导140可以对接收到第N路光信号分别执行两次相位调整操作，相应的，合束器可以合并出两种不同的光信号。
第一次相位调整操作：
第二波导140接收所述N路光信号中的第N路光信号，并将接收的所述第N路光信号调整为第二光信号，第二光信号到达所述合束器的相位为第一相位。
合束器130将N-1个第一波导120输出的所述N-1路中间光信号以及第二波导输出的第二光信号合并为第三光信号。
第二次相位调整操作：
第二波导140接收所述N路光信号中的第N路光信号，并将接收的所述第N路光信号调整为第四光信号，第三光信号到达所述合束器的相位为第二相位。
合束器130将N-1个第一波导120输出的所述N-1路中间光信号以及第二波导输出的第四光信号合并为第五光信号。
为了确定带符号的乘加运算的运算结果，也就是确定N-1个中间光信号合束后的光信号的振幅。
该光学计算设备中还可以包括探测器150。探测器150探测到第三光信号和第五光信号的光强后，探测器150通过探测器确定第三光信号和第五光信号的光强，根据第三光信号和第五光信号的光强获得N-1路中间光信号所指示的数据的乘积的和(具体确定的方式可参见后文中描述)。
值得注意的是，由图1所示和图2所示的光计算设备可知，图2所示的光计算设备也同样可以实现图1所示的光计算设备能实现的功能，进行控制第二波导不接收第N路光信号(如将第N路光信号的振幅调整为0)即可。
下面以图2所示的光计算设备为例，下面结合附图对该光计算设备中的各个组成部分进行说明：
(1)、分光器110
在本申请实施例中，分光器110具备分光功能，本申请实施例并不限定分光器110的具体类型，例如分光器110可以是多模干涉耦合器(multimode interference,MMI)，也可以是级联Y分支。
分光器110接收的光为连续光，所谓连续光是指光信号不存在间断。本申请实施例并不限定该连续光的来源，凡是能够产生连续光的器件均适用于本申请实施例。
作为一种可能的实施方式，该光计算设备中还可以包括激光器170，激光器170可以产生该连续光。示例性的，该激光器170可以是单纵模半导体激光器，产生具有单一频率的连续光。单纵模半导体激光器包括但不限于：分布反馈式(distributed feedback,DFB)激光器、分布布拉格反射式(distributed bragg reflector,DBR)激光器、或微环激光器。
对于分光器110分光后产生的N路光信号，可以是相同的N路光信号，如N路光信号的相位和振幅都相同；也可以不同的N路光信号，例如N路光信号的振幅相同，相位不同。
需要说明的是，在分光器110进行分光时，由于分光器110本身分光的原理或环境因素会导致N路光信号的振幅存在差异，为了保证光信号的振幅保持一致，可以利用第一波导120对其中N-1路光信号的振幅进行补偿。同样的，由于分光器110本身分光的原理或环境因素也可能导致N路光信号的相位存在差异，为了保证N路光信号的相位保持一致，可以利用第一波导120和第二波导140对N路光信号的相位进行补偿。
(2)、第一波导120
在本申请实施例中第一波导120兼具振幅调制功能和相位调制功能，如图3所示，第一波导120包括一个第一相位调制单元121和至少两个振幅调制单元。一个第一相位调制单元121和至少两个振幅调制单元是串联连接的。本申请实施例并不限定一个第一相位调制单元和至少两个振幅调制单元的先后顺序，在如图2所示的第一波导120中，以第一波导120中包括两个振幅调制单元和一个第一相位调制单元121，两个振幅调制单元位于第一相位调制单元之前为例进行说明。为方便区分两个振幅调制单元分别用振幅调制单元122A和振幅调制单元122B表示。
分光器110产生的N路光信号中的一路光信号进入第一波导120，先经过振幅调制单元122A，之后再经过振幅调制单元122B，最后通过第一相位调制单元121。
该光信号在经过振幅调制单元122A和振幅调制单元122B时，振幅调制单元122A和振幅调制单元122B可以分别根据振幅参数调整接收到的光信号的振幅。该光信号在相继通过振幅调制单元122A和振幅调制单元122B，可以实现乘加运算中的一组乘法运算。
例如，光计算设备所要实现的乘加运算为:其中，每一第一波导120用于实现乘加运算中的一组乘法运算XiWi。振幅参数可以指示Xi和Wi，第一波导120中的一个振幅调制单元122A可以根据指示Xi的振幅参数调整接收到的光信号的振幅，之后，另一个振幅调制单元122B根据指示Wi的振幅参数调整振幅调制单元122A调整了振幅后的光信号的振幅。第一波导120中的一个振幅调制单元122A也可以根据指示Wi的振幅参数调整接收到的光信号的振幅，之后，另一个振幅调制单元122B根据指示Xi的振幅参数调整振幅调制单元122A调整了振幅后的光信号的振幅。这里不考虑Xi和Wi的正负，乘法运算的正负可有第一波导120通过调整光信号的相位实现。
需要说明的是，这里以第一波导120中包括两个振幅调制单元为例，第一波导120中也可以包括三个，甚至数目更多的振幅调制单元；振幅调制单元的数目与该光计算设备所要实现的乘加运算中一组乘法运算中的数据的数量有关，当数据的数量为三个，则第一波导120中可以包括三个振幅调制单元。也就是说，振幅调制单元的数目可以等于运算参数的数目。
在本申请实施例中并不限定振幅调制单元的具体形式，凡是可以调整光信号的振幅的器件均可作为振幅调制单元。例如，振幅调制单元可以是电吸收调制器(electro-absorption modulator，EAM)、半导体光放大器(semiconductor optical amplifier，SOA)、可调光衰减器(Variable Optical Attenuator,VOA)。
当振幅调制单元采用EAM或VOA时，通过控制施加在EAM或VOA的反向偏置的电压调节对光信号的吸收系数，实现对光信号的衰减，调整光信号的振幅；其中，反向偏置的电压即为振幅参数确定的。
当振幅调制单元采用SOA，通过控制施加在SOA的正向偏置的电流调节对光信号的放大系数，实现对光信号的衰减或放大，调整光信号的振幅。其中，正向偏置的电流即为振幅参数；当正向偏置的电流低于阈值时，可以实现对光信号的衰减，减小光信号的振幅；当正向偏置的电流高于阈值时，可以实现对光信号的放大，增大光信号的振幅。
该光信号在相继通过振幅调制单元122A和振幅调制单元122B后，光信号的振幅发生了改变，调整了振幅的光信号再通过第一相位调制单元121，第一相位调制单元121调整振幅调制单元122B输出的光信号的相位，也就是可以调整第一波导120输出的光信号的相位，可以实现对乘法运算的结果的符号调整(如调整为正或负)。
在实际运算中，可以将N路光信号中的一路光信号作为参考光，第一相位调制单元121可以通过调整该第一波导120接收一路光信号的相位，使参考光与该路光信号之间的相位差为0或者π，实现对乘法运算的结果的符号调整。
参考光与该光信号之间的相位差为0，参考光和该光信号的振幅的符号相同，假设参考光所指示的两个数据的乘积为正号的情况下，可以看做该第一波导120所实现的乘法运算的结果的符号为正号。
参考光与该光信号之间的相位差为π，参考光和该光信号的振幅的符号不同，假设参考光所指示的两个数据的乘积为正号的情况下，可以看做该第一波导120所实现的乘法运算的结果的符号为负号。
由于光信号在通过第一相位调制单元121后，需要继续传输才能到达合束器130，为了保证合束器130对来自N-1个第一波导120的光信号以及第二波导140的光信号进行合束时，能够准确实现加法运算，也即能够各个乘法运算的结果的符号是准确的，第一相位调制单元121可以调整该光信号的相位，以使得相位调整后的光信号与参考光到达合束器130时的相位差为0或π。
为了保证第一相位调制单元121可以准确的将接收到的光信号与参考光到达合束器130时的相位差调整为0或π，可以预先对第一相位调制单元121进行校准，确定能够将接收到的光信号与参考光到达合束器130时的相位差调整为0或π的第一相位参数。
下面以校准一个第一波导120中的第一相位调制单元121为例，对预先对N-1个第一波导120中的第一相位调制单元121进行校准的方式进行说明：
分光器110将接收到的连续光分为N路光信号后，确定该N路光信号中的参考光。
N-1个第一波导120接收该N-1路光信号，一个第一波导120接收N路光信号中的一路光信号。第二波导140接收N路光信号中除N-1路的光信号外的剩余一路光信号。
以第二波导140接收的光信号为参考光，需要校准的第一波导120为第一波导120B为例，调节除第一波导120B外的第一波导120的振幅调制单元，使除第一波导120B外的第一波导120接收的光信号的振幅衰减为零，这样，除第一波导120B外的第一波导120不会输出光信号。
第二波导140可以不调整光信号的相位。第一波导120B中的振幅调制单元122可以不调整光信号的振幅，逐渐调整第一波导120B中的第一相位调制单元121的工作参数，调整第一波导120B接收的光信号的相位，合束器130接收第二波导140和第一波导120B输出的光信号，并将第二波导140和第一波导120B输出的光信号合并为一路光信号。
例如，第二波导140接收的光信号为其中，A1为第二波导140接收的光信号的振幅，为该光信号的相位。A1可以预先测量确定。
第一波导120B接收的光信号为其中，A2为第一波导120B接收的光信号的振幅，为该光信号的相位。A2可以预先测量确定。
经过合束器130合束后的光信号为
若第二波导140和第一波导120B输出的光信号到达合束器130的相位差为0，探测器150检测的光信号的光强为(A1+A2)2。
若第二波导140和第一波导120B输出的光信号到达合束器130的相位差为π，探测器150检测的光信号的光强为(A1-A2)2。
每调整一次第一波导120B中的第一相位调制单元121的工作参数，可以通过探测器150探测合束器130输出的光信号的光强，确定合束器130输出的光信号的光强为(A1+A2)2时，第一波导120B的第一相位调制单元121的第一工作参数；确定合束器130输出的光信号的光强为(A1-A2)2时，第一波导120B的第一相位调制单元的第二工作参数。第一工作参数和第二工作参数，可以作为第一波导120B的第一相位调制单元121的第一相位参数。
需要说明的是，在进行校准时，合束器130接收的连续光与后续光计算设备进行乘加运算时，合束器130接收的连续光相同。相应的，在进行校准时，合束器130利用该连续光产生的N路光信号与后续光计算设备进行乘加运算时，分光器110利用该连续光产生的N路光信号相同。这样可以保证第一相位调制单元进行校准时，确定的第一相位参数是准确的，后续第一相位调制单元才可以较为准确的将接收到的光信号与参考光到达合束器130时的相位差调整为0或π。另外，在上述校准第一波导120中的第一相位调制单元的方式中，仅是以校准一个第一波导120中的第一相位调制单元为例进行说明的，作为一种可能的实施方式，也可以同时校准多个第一波导120的第一相位调制单元，分别确定多个第一波导120中每个第一波导120的第一相位调制单元的第一相位参数。
应需注意的是，在上述对第一波导120中的第一相位调制单元121进行校准的过程中，忽略了振幅调制单元122对光信号的相位的影响。事实上，第一波导120中的振幅调制单元122在工作时，也可能会导致光信号的相位发生变化，为此，在对第一波导120中的第一相位调制单元121进行校准时，也可以使该第一波导120中的振幅调制单元122工作，调整光信号的振幅；且上述第一相位调制单元121的校准方式仅是举例，本申请实施例并不限定第一相位调制单元121的校准的具体方式，凡是能够确定第一相位参数的校准方式均适用于本申请实施例。
在本申请实施例中并不限定第一相位调制单元121的具体形式，凡是可以调整光信号的相位的器件均可作为第一相位调制单元121。例如，第一相位调制单元121可以是一段能够传输光信号的无源波导，通过载流子注入、载流子耗尽、量子限制斯塔克效应等方式改变该无源波导的折射率，进而改变光信号的相位。其中，利用载流子注入改变该无源波导的折射率是指调节施加在该无源波导上的正向电流大小，以改变该无源波导中载流子的数目，改变无源波导的折射率。利用载流子耗尽改变该无源波导的折射率是指调节施加在该无源波导上的反向电压大小，以改变该无源波导中载流子的数目，改变无源波导的折射率。利用量子限制斯塔克效应改变该无源波导的折射率是指调节施加在该无源波导上的反向电压大小，使该无源波导的材料的能带发生弯曲，改变无源波导的折射率。需要说明的是，当仅需实现不带符号的乘加运算时，N-1个第一波导中第一相位调制单元121只需将N-1个光信号的相位调整为相同值即可，例如N-1个第一波导中第一相位调制单元121可以将N-1个中间光信号与参考光到达合束器的相位差调整为0。
作为一种可能的实施方式，由于第一波导120中至少两个振幅调制单元122与第一相位调制单元121串联连接，为了保证至少两个振幅调制单元与第一相位调制单元能够正常工作，在至少两个振幅调制单元与第一相位调制单元中相邻的两个单元之间进行电隔离，电隔离是指在相邻的两个单元中实现电气上的隔离，以保证相邻的两个单元的工作电压或电流不会串扰，本申请实施例并不限定电隔离的具体方式，例如可以采用质子注入、氧离子注入、隔离槽等方式。
(3)、第二波导140
在本申请实施例中第二波导140可以只调整接收到的光信号的相位，如图4所示，第二波导140包括第二相位调制单元141。第二相位调制单元141与第一相位调制单元121的作用相同，可以将接收到的光信号与参考光到达合束器130时的相位差调整为0或π。例如，第二相位调制单元141将第二光信号与参考光到达合束器130的相位差调整为0，将第四光信号与参考光到达合束器130的相位差调整为π。又例如，第二相位调制单元141将第二光信号与参考光到达合束器130的相位差调整为π，将第四光信号与参考光到达合束器130的相位差调整为0。
为了保证第二相位调制单元141可以准确的将接收到的光信号与参考光到达合束器130时的相位差调整为0或π，也可以预先对第二相位调制单元141进行校准，确定能够将接收到的光信号与参考光到达合束器130时的相位差调整为0或π的第二相位参数。在对第二相位调制单元141校准时，可以将一个已校准的第一相位调制单元121接收的光信号作为参考光，对第二相位调制单元141进行校准的方式与对第一相位调制单元121进行校准的方式相同，具体可以参见前述内容，此处不再赘述。
可选的，第二波导141包括振幅调制单元142，当光计算设备用于实现不带符号的乘加运算时，振幅调制单元142可以将接收的第N路光信号的光强调整为零，也就是将第N路光信号的振幅调整为零。
由于探测器150只能探测合束器130输出的光信号的光强，光强等于光信号的振幅的平方，也就是说并不能确定该光信号的相位，也就是确定最终输出的乘加运算的符号。鉴于此，本申请实施例中设置第二波导140，通过第二波导140可以改变合束器输出的光信号的光强，便于后续处理电路160根据不同光信号的光强确定N-1路中间光信号所指示的数据的乘积的和。
(4)、合束器130
在本申请实施例中，合束器130具备合束功能，合束器130执行的操作是分光器110执行的操作的逆操作，本申请实施例并不限定合束器130的具体类型，例如合束器130可以是MMI，也可以是级联Y分支。
(5)、处理电路160。
下面对处理电路160确定最终输出的乘加运算的结果的方式进行说明：
假设，N-1个第一波导120输出的N-1中间光信号经过合束后输出的光信号的振幅Y为：
假设，第二波导140输出的光信号为该光信号的振幅为AN。AN可以在校准第二相位调制单元时预先测量确定。
若第二波导140输出的光信号与参考光到达合束器130的相位差为0，以此时第二波导140输出的光信号为第二光信号，合束器输出的光信号为第三光信号为例，则探测器150检测的第三光信号的光强为M0＝(Y+AN)2。
若第二波导140输出的光信号与参考光到达合束器130的相位差为π，以此时第二波导140输出的光信号为第四光信号，合束器输出的光信号为第五光信号为例，则探测器150检测的第五光信号的光强为Mπ＝(Y-AN)2。
由此可知：
从上述过程可知，第二相位调制单元140分别进行两次光信号的相位调整操作，分别将第二波导140输出的光信号与参考光到达合束器130的相位差调整为0和π，探测器150分别确定合束器130输出的第三光信号的光强M0以及合束器130输出的第五光信号的光强Mπ；之后，根据M0和Mπ确定N-1路中间光信号所指示的数据的乘积的和，也就是该乘加运算的运算结果。
本申请实施例并不限定处理电路160的具体类型，处理电路160可以是简单的逻辑电路，如加法器，作为一种可能的实现方式，处理电路160的功能也可以由其他装置实现，例如，处理电路160的功能可以由中央处埋器(central processing unit，CPU)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(fieldprogrammable gate array，FPGA)、人工智能(artificial intelligence，AI)芯片、片上系统(system on chip，SoC)或复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device，CPLD)等实现。凡是能够根据合束器输出的光信号的光强确定N-1路中间光信号所指示的数据的乘积的和的电路或装置均适用于本申请实施例。
为了使方案描述更加清楚，下面将结合前面的实施例，以如图1所示的光计算设备和图5所示的光运算方法为例，对本发明实施例中提供的光计算设备的工作流程进行概括介绍。在本申请实施例中，分光器110接收到连续光后，将该连续光分为N路光信号(可选的，分光器也可以将连续光分为N-1路光信号)，N-1个第一波导120接收该N路光信号中的N-1路光信号，其中，一个第一波导120接收N-1路光信号中的一路光信号。每个第一波导120根据设置的振幅参数调整接收的一路光信号的振幅，每个第一波导输出一路中间光信号。合束器130接收N-1个第一波导120输出的中间光信号，将N-1个中间光信号合束为一路光信号。探测器150探测该光信号的光强，处理电路160根据该光信号的光强确定N-1路中间光信号所指示的数据的乘积的和。
为了使方案描述更加清楚，下面将结合前面的实施例，以如图2所示的光计算设备和图6所示的光运算方法为例，对本发明实施例中提供的光计算设备的工作流程进行概括介绍。在本申请实施例中，分光器110接收到连续光后，将该连续光分为N路光信号，一个第二波导140以及N-1个第一波导120接收该N路光信号，其中，一个第一波导120接收N路光信号中的一路光信号，一个第二波导140接收N路光信号中的第N路光信号。每个第一波导120根据设置的振幅参数调整接收的一路光信号的振幅，根据设置的相位参数调整该路光信号的相位，每个第一波导输出一路中间光信号。第二波导140调整接收到的光信号的相位，使调整了相位后的光信号到达合束器130的相位为第一相位或第二相位。合束器130接收N-1个第一波导120和第二波导140输出的光信号，将N-1个中间光信号和第二波导140输出的光信号合束为一路光信号。探测器150探测合束器130输出的光信号的光强，处理电路160根据合束器130输出的该光信号的光强确定N-1路中间光信号所指示的数据的乘积的和。
作为一种可能的实施方式，当第二波导140输出的第二光信号到达合束器130的相位为第一相位时，合束器130接收N-1个中间光信号和第二波导140输出的第二光信号，将N-1个中间光信号和第二波导140输出的第二光信号合束为第三光信号；探测器150探测第三光信号的光强。
当第二波导140输出的第四光信号到达合束器130的相位为第二相位时，合束器130接收N-1个中间光信号和第二波导140输出的第四光信号，将N-1个中间光信号和第二波导140输出的第四光信号合束为第五光信号；探测器150探测第五光信号的光强。
处理电路160根据探测器150输出的所述第三光信号的光强以及所述第五光信号的光强获得所述N-1路中间光信号所指示的数据的乘积的和。
其中，第一相位与参考光到达合束器时的相位的之差为0，述第二相位与参考光到达合束器时的相位的之差为π，所述参考光为所述N路光信号中的一路光信号。或第一相位与参考光到达合束器时的相位的之差为π，述第二相位与参考光到达合束器时的相位的之差为0，所述参考光为N路光信号中的一路光信号。
如图7所示，为本申请实施例提供的一种计算系统10，所述计算系统10包括光计算设备100和处理器200。光计算设备100的结构可参见如图1或图2所示的光计算设备。
处理器200连接光计算设备100，处理器200可以将待进行乘加运算的数据发送给光计算设备100，以指示光计算设备100对接收的数据进行光计算。该待进行乘加运算的数据中包括N-1组数据，每组数据包括该乘加运算中的待进行乘法运算的至少两个数据。
光计算设备100接收到该待进行乘加运算的数据后，可以设置N-1第一波导的振幅参数，可选的，还可以设置N-1第一波导的相位参数。
针对任一第一波导，光计算设备100可以根据一组数据设置该第一波导的至少两个振幅参数，根据该组数据的正负值设置该第一波导的相位参数。之后，该光计算设备100可以进行光计算，输出该乘加运算的计算结果，将该计算结果反馈给处理器200。实际应用中，该计算结果可以是光计算设备100(中的处理电路)根据第一光信号确定的，也可以是根据第三光信号的光强和第五光信号的光强确定的。
需要说明的是，本申请所提供的实施例仅仅是示意性的。所属领域的技术人员可以清楚的了解到，为了描述的方便和简洁，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。在本发明实施例、权利要求以及附图中揭示的特征可以独立存在也可以组合存在。在本发明实施例中以硬件形式描述的特征可以通过软件来执行，反之亦然。在此不做限定。
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