具体实施方式

在对本申请实施例中提供的光计算装置以及计算方法进行说明之前，先对乘加运算进行说明。

乘加运算可以整合为矩阵的乘法运算，矩阵的乘法运算如下：

B＝A*C

也即：

其中，B、A、C均为矩阵，C可以称为输入矩阵，C中的每个元素为一个输入向量，A可以称为作用矩阵，B可以称为输出矩阵，B中的每个元素可以为一个输出向量。根据矩阵的乘法运算可知，每个输出向量是作用矩阵中的一行元素与各个输入向量进行乘加运算的计算结果。

在光学乘加运算中，一个输入向量可以对应一个光信号(在本申请实施例中该光信号可以为第一组光信号中的一个光信号)，输入向量与作用矩阵中的一个元素的乘法运算可以利用对光信号的调制实现(在本申请实施例中可以理解为对第一组光信号中的一个光信号的调制，作用矩阵中的一个元素可以理解为对该光信号的调制强度或强度的调制程度)，输入向量与作用矩阵中的一个元素的乘法运算的结果可以通过调制后的一个光信号进行表征(在本申请实施例中，可以调制器阵列输出的一个第二光信号表征)，输入向量与作用矩阵中的一行元素的乘法运算的结果可以通过调制后的多个光信号进行表征(在本申请实施例中，可以调制器阵列输出的多个第二光信号表征)，作用矩阵中的一行元素与各个输入向量进行乘加运算的计算结果可以通过对调制后的多个光信号合束获得，也就是说，调制输出的光信号合束后的光信号可以表征乘加运算的计算结果(在本申请实施例中，可以用对多个第二光信号合束后的光信号进行表征乘加运算的计算结果)。

如图1所示，为本申请实施例提供的一种光计算装置，该光计算装置10包括双层分光波导阵列200、调制器阵列300以及合束波导阵列400，可选的，还可以包括光源模块100、探测器阵列500。

光源模块100，能够产生光信号，为方便说明，将光源模块100输出的光信号称为第一光信号。光源模块100可以产生多个第一光信号，这里并不限定该第一光信号的数量。该第一光信号的数量与需要实现的乘加运算的规模有关，该多个第一光信号的数量可以等于乘加运算中输入向量的数量，多个第一光信号构成第一组光信号。

双层分光波导阵列200，能够接收光源模块100输出的多个第一光信号，并将每个第一光信号中复制为多个第一光信号。该双层分光波导阵列200可以将接收的第一组光信号复制为多个第一组光信号，接收的第一组光信号的第一光信号与复制的多个第一组光信号的第一光信号的强度可以不同。例如，将一个光信号复制为多个光信号c_i，c_i的强度可以小于C_i，其中，i为不大于n的正整数。

具体在双层分光波导阵列200中，该双层分光波导阵列200包括第一层波导阵列210和第二层波导阵列220。第一层波导阵列210与光源模块100连接，能够接收光源模块100输出的多个第一光信号。第二层波导阵列220与第一层波导阵列210位于不同的平面，第二层波导阵列220能够接收来自第一波导阵列的第一组光信号。对于该第一组光信号中的每一个第一光信号，第二层波导阵列220可以对该第一光信号进行分光，分为多个第一光信号，也即第二层波导阵列220可以接收第一组光信号，输出多组第一组光信号。

调制器阵列300位于第二层波导阵列220之后，能够对第二层波导阵列220输出的第一组光信号进行调制，改变该第一组光信号的强度。以第二层波导阵列220输出的一个第一组光信号为例，调制器阵列可以基于第二组数据对该第一组光信号进行调制(实现乘法运算)，输出一个第二组光信号，第二组光信号包括多个第二光信号。调制器阵列300对该第一组光信号的调制程度是基于第二组数据确定的，该第二组数据指示待计算的数据，由于该光计算装置是用于实现乘加运算的，该待计算的数据可以为乘加运算中的作用矩阵中的一行元素。

合束波导阵列400能够对调制器阵列输出的第二组光信号进行汇聚，将第二组光信号汇聚为较为靠近的多个第二光信号，便于后续对该第二组光信号进行探测或利用该第二组光信号进行扫描。

探测器阵列500用于探测所述合束波导阵列输出的第二组光信号合束后的光信号的强度，在探测器阵列500中，当该第二组光信号到探测器阵列500时，该第二组光信号会被转换为一个电信号，也即将多个第二光信号转换为一个电信号，实现该多个第二光信号的合并(实现加法运算)、以及光电转换，探测器阵列500可以探测电信号的强度，以确定乘加运算的结果。

在本申请实施例中，该光计算装置中并不引入分束器，而是利用波导之间的耦合原理，实现光信号的分光，将第一光信号分为多个第一光信号。采用这种分光方式，能够较大程度减少分光后的第一光信号中所携带的噪声，能够确保乘加运算准确性。

下面结合附图，对本申请实施例提供的光计算装置中的各个组成部分进行说明。

(1)、光源模块100。

在本申请实施例中光源模块100能够输出多个第一光信号，以便将该多个第一光信号输入到双层分光波导阵列200的第一层波导阵列210。

光源模块100产生多个第一光信号的方式有许多种，不同结构的光源模块100产生多个第一光信号的方式也不同，下面对本申请实施例提供的两种光源模块100进行说明：

第一种、如图2A，该光源模块100中包括由多个激光器111构成的激光器阵列110以及第一调制器阵列120。第一调制器阵列120包括多个调制器121，本申请实施例并不限定调制器121的类型，例如，该调制器121可以是半导体激光放大器，也可以为铌酸锂调制器、金属加热调制器、相变材料调制器。凡是能够对光信号进行调制的器件均可以作为调制器121，构成第一调制器阵列120。

在如图2A所示的光源模块100中，每个激光器111能够产生一个原始光信号，第一调制器阵列120中的一个调制器121能够对一个激光器111产生的该原始光信号进行调制，输出一个第一光信号。该第一调制器阵列120中的多个调制器121能够对多个激光器111产生多个原始光信号进行调制，输出多个第一光信号。

第一调制器阵列120对原始光信号的调制过程是在原始光信号中载入信息的过程，使得产生的第一光信号能够指示一个参与乘加运算的输入向量。

第二种、如图2B，为本申请实施例提供的另一种光源模块100的结构示意图，该光源模块100中包括激光器130、分光器140以及第二调制器阵列150。第二调制器阵列150包括多个调制器151，本申请实施例并不限定调制器151的类型，调制器151的类型可以参见调制器121的相关说明，此处不再赘述。

该激光器130能够产生一个原始光信号，分光器140对该原始光信号进行均匀分光，输出多个光强相同的光信号，第二调制器阵列150中的一个调制器151能够对分光器140输出的一个光信号进行调制，输出一个第一光信号。第二调制器阵列150中的多个调制器151对分光器140输出的多个相同的光信号进行调制，输出多个第一光信号。

第二调制器阵列150对该多个相同的光信号的调制过程是在该多个相同的光信号中载入信息的过程，使得产生的第一光信号能够指示一个参与乘加运算的输入向量。

需要说明的是，上述两种光源模块100的结构仅是举例，本申请实施例并不限定光源模块100中所包括的组件，凡是能够产生多个第一光信号的模块均适应于本申请实施例。

(2)、双层分光波导阵列200

该双层分光波导阵列200用于对多个第一光信号进行分光，不同于分光器，该双层分光阵列包括两层波导阵列，为了方便说明，该两层波导阵列分别为第一层波导阵列210和第二层波导阵列220。在双层分光波导阵列200传输该多个第一光信号时，不同层的波导阵列的波导之间存在耦合作用，基于波导之间的耦合原理(也可以简称为波导耦合原理)，实现对该多个第一光信号的分光，每个第一光信号可以分为多个第二光信号。

波导之间的耦合原理是指当相互靠近的两个波导中基模的有效折射率相等或近似匹配时，这两个波导中的光能量产生相互耦合作用，一个波导中的光能量可以被传递到另一个波导中，也即一个光波导中的光信号可以传输到另一个波导中，达到分光的效果。通过控制该两个波导之间的相互作用区间(也即该两个波导重叠的部分)可以改变这两个波导的相对相位(使相对相位在0-2π之间变化)，在两个波导间能够实现不同程度的耦合，也即改变一个波导传递到另一个波导的光能量(也可以理解为传递到另一个波导的光强程度)。

下面对双层分光波导阵列200的结构进行说明：

如图3A所示，为本申请实施例提供的一种双层分光波导阵列200的结构示意图，该双层分光波导阵列200中包括第一层波导阵列210和第二层波导阵列220。

在本申请实施例中，第一层波导阵列210用于传输光源模块100输出的多个第一光信号，第二层波导阵列220靠近第一层波导阵列210。针对任一第一光信号，第二层波导阵列220能够利用波导之间的耦合原理，改变第一层波导阵列210中传输的第一光信号的传输方向，将第一光信号中的部分耦合到第二层波导阵列220中，第二层波导阵列220从第一光信号中耦合出的部分与第一光信号仅是光强不同，也可以理解为第二层波导阵列220从第一光信号中耦合出第一光信号。第二层波导阵列220可以对一个第一光信号进行多次耦合，获得多个第一光信号。

参见图3A，该第一层波导阵列210和第二层波导阵列220不在同一平面。例如，该第一层波导阵列210和第二层波导阵列220可以分别位于两个平行的平面内，该第一层波导阵列210和第二层波导阵列220存在重叠区域，也即该第一层波导阵列210和第二层波导阵列220在平行于该两个平面的投影存在重合部分，该重合部分对应在该第一层波导阵列210和第二层波导阵列220中即为重叠区域。重叠区域也可以理解为第一层波导阵列210与第二层波导阵列之间重叠的区域。

该第一层波导阵列210和第二层波导阵列220的重叠区域，能够使得在第一层波导阵列210中传输的第一光信号在经过该第一层波导阵列210和第二层波导阵列220的重叠区域时，第一光信号中的部分能够从第一层波导阵列210传递到第二层波导阵列220(也即波导之间的耦合原理)。

为了能够保证第一层波导阵列210中传输的第一光信号能够在经过该重叠区域时，降低第一层波导阵列210对第一光信号的束缚，使得第一光信号中的部分能够较为顺利的从第一层波导阵列210传递到第二层波导阵列220，可以减薄第一层波导阵列210在该重叠区域的厚度，也即第一层波导阵列210在不同区域的厚度不同，在重叠区域的厚度d小于其他区域的厚度D。

从第一层波导阵列210中传递的第一光信号中分出的第一光信号实质上是减低了第一层波导阵列210中的第一光信号的强度，第一层波导阵列210中的光信号C_i与第二层波导阵列220中的光信号c_i的强度之间存在如下关系：

C_i＝Sc_i

其中，S为分光强度，S与重叠区域的耦合系数有关，耦合系数可以通过上下层波导的结构设计和角度进行配置。

对于在第一层波导阵列210中传输的一个第一光信号可以被分为m个第一光信号。对于在第一层波导阵列210中传输的多个第一光信号，每个第一光信号可以被分为m个第一光信号，每个第一光信号分光后生成的m个第二光信号可以构成m个第一组光信号，每组光信号中包括多个第一光信号，每个第一组光信号为{c₁、c₂、c₃、…、c_n}。

下面对每层波导阵列的结构进行说明，如图3B所示，为本申请实施例提供的第一层波导阵列210的结构示意图，第一层波导阵列210包括多个第一波导211，每个第一波导211用于传输一个第一光信号。

该第一波导211的厚度分布是不均匀的，第一波导211在第一层波导阵列210和第二层波导阵列220在重叠区域的厚度d小，在其他区域的厚度D大，也就是说，该第一波导211在第一层波导阵列210和第二层波导阵列220在重叠区域d的厚度小于其他区域的厚度D。

如图3C所示，为本申请实施例提供的第二层波导阵列220的结构示意图，第二层波导阵列220包括多组第二波导221，每组第二波导221中包括多个第二波导221，一组第二波导221与第一层波导阵列210中的各个第一波导211之间存在重叠区域，该组第二波导221能够对该多个第一波导211中传输的第一光信号进行分光，输出第一组光信号。

下面以一个第一波导211和一个第二波导221为例，对第一层波导阵列210和第二层波导之间的位置关系进行说明。

如图3D所示，为第一波导211和第二波导221的俯视图，也即第一波导211和第二波导221在垂直于第一层波导阵列210和第二层波导阵列220所在平面的方向上的示意图。

从图3D可以看出，第一波导211和第二波导221之间存在夹角，存在重叠区域。将第一波导211和第二波导221抽象为空间直线，该第一波导211对应的直线与第二波导221对应的直线为异面直线。

如图3E所示，为第一波导211和第二波导221的侧视图，为第一波导211和第二波导221在厚度方向上的侧视图。从图3E中可以看出，第一波导211和第二波导221位于两个平行平面内，第一波导211和第二波导221之间可以填充有绝缘介质，该绝缘介质可以为二氧化硅(SiO₂)，本申请实施例并不限定该二氧化硅的生长方式，第一波导211的厚度分布不均匀，在重叠区域的厚度较小，在其他区域的厚度较大，这样的结构有利于第一波导211中传输的第一光信号中部分可以耦合到第二波导221中形成第二光信号。

在本申请实施例中，利用波导之间的耦合原理来实现第一光信号的分光，使得第一光信号的部分可以无损的耦合到第二波导221中，能够较大的减少由于分光所引起的光信号的损耗，保证乘加运算的准确性。

(3)、调制器阵列300。

在本申请实施例中，调制器阵列300能够对该多个第一光信号的强度进行调制生成多个第二光信号，实现乘法运算。示例性的，调制器阵列300能够对第二层波导阵列220中输出的多个第一组光信号进行调制，输出多个第二组光信号，每个第二组光信号中包括多个第二光信号。

如图4所示，调制器阵列300中可以包括多个调制器310，每个调制器310能够对一个第一光信号进行调制，该调制器310的数量可以与第一光信号的数量一致。

例如，该调制器310可以设置在第二层波导阵列220中的每个第二波导221上，以保证能够对第二波导221上传输的第二光信号进行调制。

本申请实施例并不限定该调制器310的类型，该调制器310可以为下列的部分或全部：铌酸锂薄膜调制器、半导体光放大器、热调制器、马赫-曾德尔干涉仪(mach-zehnderinterferometer，MZI)。调制器阵列300可以包括同种类型的调制器310构成，也可以包括不同类型的调制器310。

调制器阵列300中包括的多个调制器310可以分为多组调制器，每组调制器可以对第二层波导阵列220中传输一个第一组光信号{c1、c2、c3、…、cn}进行调制，该组调制器对该第一组光信号的调制系数为[t_i1,t_i2,t_i3,…,t_in]。假设该组调制器和第二层波导阵列220之间的光学耦合效率为k，那么该组第二光信号经过通过该组调制器后，经过该组调制器输出的一组第三光信号为k[c₁t_i1,c₂t_i2,c₃t_i3,…,c_nt_in]。调制系数[t_i1,t_i2,t_i3,…,t_in]与光学耦合效率为k的乘积是根据作用矩阵中的一行元素决定的。也就是说，调制器阵列各个调制的调制系数构成的矩阵与光学耦合效率为k的乘积是基于该作用矩阵确定的。

(4)、合束波导阵列400

合束波导阵列400能够对多个第二光信号汇聚，如经过每组调制器输出的一个第二组光信号，合束波导阵列400可以将该第二组光信号中的第二光信号进行汇聚，使得该多个第二光信号更加靠近。

在实际应用中，经过调制器阵列输出的多个第二组光信号的光信号总数量较大，能够将该多个第二组光信号进行汇聚，合束波导阵列400也可以采用层状结构。

如图5所示，为本申请实施例提供的一种合束波导阵列400的结构示意图，该合束波导阵列400中包括多层合束波导。每层合束波导能够对调制器阵列输出的一组或多个第二光信号中的光信号进行汇聚。

每层合束波导可以为超晶格波导，超晶格波导可以通过规模化光刻实现，制备手段和普通波导一样，其中超晶格波导之间间隔距离为次波长尺度，结构紧凑，能够极高地增加集成超晶格波导的数量密度。

(5)、探测器阵列500

探测器阵列500用于探测合束波导阵列400输出的该多第二组光信号的光信号，该探测器阵列500中可以包括多个探测器，本申请实施例并不限定探测器的类型，该探测器可以为锗探测器(Ge)，也可以为硅探测器(Si)和铟砷化镓探测器(InGaAs)。本申请实施例也不限定该多个探测器的部署方式，只需保证该多个探测器的探测面能与合束波导阵列400中输出端面耦合，能够探测到所有合束波导阵列400输出的光信号即可。

需要说明的是，本申请实施例并不限定该光计算装置的具体形态，例如可以将该光计算装置中的各个组成部分集成到芯片上，构成片上光计算装置。

在上述说明中，光计算装置中设置探测器阵列500能够探测该多个第二组光信号的光信息的总强度，该光计算装置中不设置探测器阵列500的情况下，通过改变作用矩阵，实现不同的乘加运算，产生传输方向不同的第二光信号，可以应用于光束扫描场景中。

在光束扫描场景中，需要最终产生的该多个第二组光信号能够覆盖较大的角度，光源模块100中生成的第一光信号可以是多个波长相同的光信号(也即单一波长的光信号)，也可以是波长不同的光信号(也即多波长光信号)。

光源模块100输出的多个第一光信号经过双层分光波导阵列200输出多个第一组光信号，经过调制器阵列300实现强度调制，合束波导阵列400进行汇聚，输出该多个第二组光信号能够在出射后在远场空间进行干涉。通过调节调制器阵列300对多个第一组光信号进行强度调制的强度，能够使得该多个第二组光信号在远场空间进行干涉，构成相控阵，利用该相控阵的主瓣(最大波束即为主瓣)在空间上可以实现扫描。

如图6A所示，当计算装置中的光源模块100输出单一波长的光信号时，该相控阵中可以形成一个主瓣，实现在空间的扫描。

如图6B所示，当计算装置中的光源模块100输出多个波长的光信号时，合束后的光信号也存在多个波长的光信号。对于任一波长的光信号，该波长的光信号合束后的光信号在远程空间进行干涉，形成对应的相控阵，由于存在多种波长的信号，则会形成多个相控阵，利用每个相控阵中的主瓣在空间上可以实现扫描。

本发明光计算装置在光束扫描场景中，由于光计算装置中包括了双层分光波导以及由多层合束波导构成的合束波导阵列400，能够使得生成足够数量的第二光信号，确保了能够形成相控阵，以实现空间扫描。另外，由于该光计算装置中设置有调制器阵列，使得对光信号的调制也能够独立完成，有利于对集成大规模的相控阵天线的每个单元输出的光信号的相位进行片上控制。

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所示的光计算装置和图7所示的计算方法为例，对本发明实施例中提供的光计算装置的工作流程进行概括介绍。在本申请实施例中，光源模块100产生第一组光信号(1)，其中，第一组光信号包括用于指示第一组数据的多个光信号；光源模块100发送该第一组光信号(2)，第一层波导阵列210可以接收光源模块100产生的第一组光信号(3)，其中第一层波导阵列210中包括多个第一波导的；第二层波导阵列220与第一层波导阵列210位于不同平面；第一层波导阵列210传输该第一组光信号(4)，第二层波导阵列220包括多个第二波导，可以基于波导耦合原理，接收来自第一层波导阵列210的第一组光信号(5)，其中，第二层波导阵列220与第一层波导阵列210位于不同平面，该第二层波导阵列传输该第一组光信号(6)；之后，调制器阵列300基于第二组数据对第二层波导阵列传输的第一组光信号进行调制，输出多个第二光信号(7)；调制器阵列300将该多个第二光信号传输至合束波导阵列400(8)。合束波导阵列400可以对多个第二光信号进行汇聚(9)。

作为一种可能的实施方式，多个第一波导在第一区域的厚度小于在除第一区域外的其他区域的厚度，多个第一波导在第一区域与多个第二波导重叠。

作为一种可能的实施方式，合束波导阵列包括多层合束波导，每层合束波导可以对多个第二光信号中的一部分进行汇聚。

作为一种可能的实施方式，每层合束波导可以包括多个超晶格波导。

作为一种可能的实施方式，合束波导阵列400汇聚多个第二光信号之后，探测器阵列500可以对合束波导阵列400汇聚的多个第二光信号进行探测。

如图8所示，为本申请实施例提供的一种计算系统30，所述计算系统30包括光计算装置10和处理器20。光计算装置10的结构可参见如图1所示的光计算装置。

处理器20连接光计算装置10，处理器20可以将待进行乘加运算的数据发送给光计算装置10，以指示光计算装置10对接收的数据进行计算。该待进行乘加运算的数据中包括第一组数据和第二组数据。

光计算装置接收到该待进行乘加运算的数据后，可以生成用于指示第一组数据的第一组光信号，还可以基于第二组数据对第一组光信号进行调制。

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。