一种基于多波长光源的矩阵向量乘法器及其运算方法
阅读说明：本技术 一种基于多波长光源的矩阵向量乘法器及其运算方法 (Matrix vector multiplier based on multi-wavelength light source and operation method thereof ) 是由 徐之光 程东 赵卫 姚宏鹏 杜炳政 布兰特·埃弗雷特·李特尔 罗伊·戴维森 于 2021-04-01 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于多波长光源的矩阵向量乘法器及其运算方法,解决现有矩阵向量乘法器结构不易实现的问题。该矩阵向量乘法器包括依次设置的多波长光源、光调制器、延迟色散元件、功率分束器、波长解复用器阵列、可调光衰减器阵列、波长复用器阵列和探测器阵列；波长解复用器阵列包括N个波长解复用器；可调光衰减器阵列包括N×N个可调光衰减器；波长复用器阵列包括N个波长复用器；探测器阵列包括N个探测器。与传统光子计算相比,本发明所提出的矩阵向量乘法器具有高性能、高可实现性、易于集成等优势。(The invention provides a matrix vector multiplier based on a multi-wavelength light source and an operation method thereof, which solve the problem that the structure of the conventional matrix vector multiplier is difficult to realize. The matrix vector multiplier comprises a multi-wavelength light source, an optical modulator, a delay dispersion element, a power beam splitter, a wavelength demultiplexer array, an adjustable optical attenuator array, a wavelength multiplexer array and a detector array which are sequentially arranged; the wavelength demultiplexer array comprises N wavelength demultiplexers; the adjustable optical attenuator array comprises NxN adjustable optical attenuators; the wavelength multiplexer array comprises N wavelength multiplexers; the detector array includes N detectors. Compared with the traditional photon calculation, the matrix vector multiplier provided by the invention has the advantages of high performance, high realizability, easiness in integration and the like.)
技术领域
本发明涉及光信息技术领域，具体涉及一种基于多波长光源的矩阵向量乘法器及其运算方法。
背景技术
计算技术是现代信息技术的核心，传统电子计算方法具有高能耗、低效率、低并行性的缺点，而光子计算技术可以克服上述缺点。矩阵-向量乘法是光子计算的一个重要分支。对于人工智能等应用，矩阵向量乘法占总运算量的90%以上。在这一类应用中，通常向量中元素的变化较快，在光子计算中需要采用高速调制器实现矩阵元素信息的加载，而矩阵元素相对固定，可以使用速度较低的可调光衰减器等实现。对于N个元素的向量乘以N×N个矩阵的运算，传统的技术需要N个高速调制器，由于计算的苛刻要求，N个高速调制器必须在时间上严格保持同步，同时需要保持调制的严格一致性，这极大地降低了硬件的可实现性，规模越大、速度越高，则越难实现。
发明内容
本发明的目的是解决现有矩阵向量乘法器结构不易实现的问题，提供一种基于多波长光源的矩阵向量乘法器及其运算方法，与传统光子计算相比，本发明所提出的矩阵向量乘法器具有高性能、高可实现性、易于集成等优势。
为实现以上发明目的，本发明的技术方案为：
一种基于多波长光源的矩阵向量乘法器，包括依次设置的多波长光源、光调制器、延迟色散元件、功率分束器、波长解复用器阵列、可调光衰减器阵列、波长复用器阵列和探测器阵列；所述功率分束器设置有一个输入口、N个输出口；波长解复用器阵列包括N个波长解复用器，每个波长解复用器设置有一个输入口、N个输出口；所述可调光衰减器阵列包括N×N个可调光衰减器；所述波长复用器阵列包括N个波长复用器，每个波长复用器设置有N个输入口、一个输出口；所述探测器阵列包括N个探测器；所述多波长光源的输出口与光调制器的输入口连接，所述光调制器的输出口与延迟色散元件的输入口连接，所述延迟色散元件的输出口与功率分束器的输入口连接，所述功率分束器的N个输出口与N个波长解复用器的输入口一一对应连接，每个波长解复用器的N个输出口与N个可调光衰减器的输入口一一对应连接，N个可调光衰减器的输出口均与一个波长复用器的N个输入口一一对应连接，N个波长复用器的输出口与N个探测器的输入口一一对应连接；多波长光源发出具有N个等频率间隔的一组光束，光调制器对该光束进行调制，得到具有N个不同频率的一组光束；延迟色散元件对调制后的光束产生不同的延迟，功率分束器将延迟后的光束进行分束，得到N组光束，每组光束均包含N个频率，N组光束分别进入N个波长解复用器，任意一组光束中N个频率的光被解复用到不同的出口，从而产生N×N组只含有一种频率的光束，N×N组光束中，每组光束被一个可调光衰减器调制，加载不同的信息，经过可调光衰减器调制之后的N×N组光束中，每N组经过一个波长复用器合成一组光束，N×N组光束被合成N组光束，每组光束含有N个频率，N组光束分别进入N个光探测器，完成加法运算。
进一步地，所述多波长光源为多波长激光器阵列。
进一步地，所述多波长光源为光学频率梳。
进一步地，所述延迟色散元件为光纤。
进一步地，所述延迟色散元件为多点布拉格反射光栅。
同时，本发明提供一种基于多波长光源的矩阵向量乘法器的运算方法，包括以下步骤：
步骤一、多波长光源发出具有N个等频率间隔的一组光束，并对该光束以B的波特率进行调制，得到在不同时刻加载不同信息且具有N个不同频率的一组光束；
步骤二、对步骤一得到的光束产生色散延迟，不同频率的光在延迟色散元件中的延迟不同，任意相邻两个频率间隔为f的光束延迟之差为1/B；
步骤三、将步骤二延迟后的光束进行分束，得到N组光束，每组光束均包含N个频率；
步骤四、N组光束分别进入N个波长解复用器，任意一组光束中N个频率的光被解复用到不同的出口，从而产生N×N组只含有一种频率的光束；
步骤五、N×N组光束中，每组光束被一个可调光衰减器调制，加载不同的信息；
步骤六、经过可调光衰减器调制之后的N×N组光束中，每N组经过一个波长复用器合成一组光束，N×N组光束被合成N组光束，每组光束含有N个频率；
步骤七、N组光束分别进入N个探测器，完成加法运算。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明矩阵向量乘法器通过单个调制器实现向量中多个输入元素的调制，避免了传统多调制器方案中的调制器同步等问题，大大简化了系统结构。
2.本发明矩阵向量乘法器对于较大规模的乘法，只需一个高速调制器即可进行信号调制，因此调制器数量不会随着乘法运算规模扩大而扩大，规模易于扩展，可实现较大规模的计算系统。
附图说明
图1为本发明基于多波长光源的矩阵向量乘法器的结构示意图；
图2为本发明基于多波长光源的矩阵向量乘法器实施例一的结构示意图；
图3为本发明基于多波长光源的矩阵向量乘法器实施例二的结构示意图；
图4为本发明基于多波长光源的矩阵向量乘法器实施例三的结构示意图；
图5为本发明基于多波长光源的矩阵向量乘法器实施例四的结构示意图。
附图说明：1-多波长光源，2-光调制器，3-延迟色散元件，4-功率分束器，5-波长解复用器阵列，6-可调光衰减器阵列，7-波长复用器阵列，8-探测器阵列，51-波长解复用器，61-可调光衰减器，71-波长复用器，81-探测器。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
如图1所示，本发明基于多波长光源的矩阵向量乘法器包括依次设置的多波长光源1、光调制器2、延迟色散元件3、功率分束器4、波长解复用器阵列5、可调光衰减器阵列6、波长复用器阵列7和探测器阵列8。功率分束器4设置有一个输入口、N个输出口；波长解复用器阵列5包括N个波长解复用器51，每个波长解复用器51设置有一个输入口、N个输出口；可调光衰减器阵列6包括N×N个可调光衰减器61；波长复用器阵列7包括N个波长复用器71，每个波长复用器71设置有N个输入口、一个输出口；探测器阵列8包括N个探测器81。
多波长光源1的输出口与光调制器2的输入口连接，用于发出具有N个等频率间隔的光束（即发出N个离散波长组成的光束）；光调制器2的输出口与延迟色散元件3的输入口连接，用于将多波长光源1发出的光束进行调制，得到不同频率的N个光束；延迟色散元件3的输出口与功率分束器4的输入口连接，用于对经过光调制器2调制之后的光束产生不同的延迟；功率分束器4的N个输出口与N个波长解复用器51的入口一一对应连接；每个波长解复用器51的N个输出口与N个可调光衰减器61的输入口一一对应连接；N个可调光衰减器61的输出口均与一个波长复用器71的N个输入口一一对应连接，N个波长复用器71的输出口与N个探测器81输入口一一对应连接。
多波长光源1发出具有N个等频率间隔的一组光束，光调制器2对该光束进行调制，得到N个不同频率的一组光束；延迟色散元件3对调制后的光束产生不同的延迟，功率分束器4将延迟后的光束进行分束，得到N组光束，每组光束均包含N个频率，N组光束分别进入N个波长解复用器51，任意一组光束中N个频率的光被解复用到不同的出口，从而产生N×N组只含有一种频率的光束，N×N组光束中，每组光束被一个可调光衰减器61调制，加载不同的信息，经过可调光衰减器61调制之后的N×N组光束中，每N组经过一个波长复用器71合成一组光束，N×N组光束被合成N组光束，每组光束含有N个频率，N组光束分别进入N个光探测器，完成加法运算。
上述矩阵向量乘法器中，多波长光源1为多波长激光器阵列或光学频率梳；延迟色散元件3为光纤或多点布拉格反射光栅。
本发明所提出的矩阵向量乘法器可以在光域实现一个有着N2个元素矩阵和N个元素的向量的乘法。假设计算的是X×A，其中，X是有着N个元素的行向量，xj是其中第j个元素的值，A是N×N的方阵Aij是其中第i行j列的元素的值。在卷积神经网络等系统应用中，通常矩阵A是相对固定的，而向量X是可变的。传统的实现方式，需要N2低速的可调衰减器来加载A矩阵中元素的信息，同时需要N个高速调制器将向量X的N个元素加载在光域上，多个高速调制器会带来串扰等一系列问题，从而限制了矩阵的规模和实际应用的场景。
在本发明中，用一个光调制器2顺序加载X向量中的N个元素，并通过后面的延迟色散元件3将N个元素在时间上对齐，这样避免了多个高速调制器的使用，极大地简化了系统复杂性。
同时，本发明还提供一种基于多波长光源的矩阵向量乘法器的运算方法，包括以下步骤：
步骤一、多波长光源1发出N个等频率间隔的光束，并对该光束以B的波特率进行调制，得到在不同时刻加载不同信息且具有N个不同频率的一组光束；
步骤二、对上述光束产生色散延迟，不同频率的光在延迟色散元件3中的延迟不同，任意相邻两个频率间隔为f的光束延迟之差为1/B；
步骤三、将步骤二延迟后的N个光束进行分束，得到N组光束，每组光束均包含N个频率；
步骤四、分束之后的N组光束分别进入N个不同的波长解复用器51，任意一组光束中N个频率的光会被解复用到不同的出口，从而产生N×N组只含有一种频率的光束；
步骤五、N×N组光束每组光束被一个可调光衰减器61调制，加载不同的信息；
步骤六、经过可调光衰减器61调制之后的N×N组光束每N组经过一个波长复用器71合成一组光束，N×N组光束最终被合成成N组光束，每组光束含有N个频率；
步骤七、N组光束分别进入N个光探测器81，在其中完成加法运算。
实施例一
如图2所示为本发明实施例一的结构示意图，该实施例中，矩阵向量乘法器包括多波长光源1、光调制器2、延迟色散元件3、功率分束器4、波长解复用器阵列5、可调光衰减器阵列6、波长复用器阵列7以及探测器阵列8，多波长光源1能够发出N个等频率间隔的光束，频率间隔为f，多波长光源1与光调制器2入口相连，光调制器2的波特率为B，光束经光调制器2调制之后，经延迟色散元件3产生不同的延迟，不同频率的光在延迟色散元件3中的延迟不同，任意相邻两个频率间隔为f的光束延迟之差为1/B；功率分束器4包含N个输出口，各输出口分别与波长解复用器阵列5中的N个波长解复用器51的入口连接。每个波长解复用器51包含一个入口、N个出口；波长解复用器51各出口分别与可调光衰减器阵列6中的一个可调光衰减器61入口相连。可调光衰减器阵列6包含N2个可调光衰减器61，N个可调光衰减器61的出口与波长复用器阵列7中一个波长复用器71的N个输入口相连，波长复用器阵列7包含N个波长复用器71，每个波长复用器71包含N个输入口和1个输出口；波长复用器71的输出口与探测器阵列8中的一个探测器81相连。探测器阵列8包含N个探测器81。
在此实施例中，多波长光源1采用多波长激光器阵列实现。
实施例二
如图3所示为本发明实施例二的结构示意图，在此实施例中，多波长光源1采用光学频率梳实现，其他部分与实施例一相同。
实施例三
如图4所示为本发明实施例三的结构示意图，在此实施例中，延迟色散元件3采用一定长度的光纤实现，其中，光纤的长度L和色散系数c满足1/B=f×L×c，其他部分与实施例一相同。
实施例四
如图5所示为本发明实施例四的结构示意图，在此实施例中，延迟色散元件3采用多点布拉格反射光栅实现，其中，多点布拉格反射光栅上有N个反射光栅，相邻两个反射光栅之间的延迟为1/(2B)，其他部分与实施例一相同。
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