一种超紧凑光子张量计算芯片及设计方法

本发明属于集成光子器件领域，更具体地，涉及一种超紧凑光子张量计算芯片及设计方法。

背景技术：

1、在信息技术和数据处理领域，随着数据处理需求的不断增长，寻找更高效、更快速的计算方法成为一个紧迫的任务。光子并行计算作为一种新兴的技术，以其超高速度和低功耗的特点备受关注。然而，如何在保持计算精度和复杂度的同时，缩小器件尺寸并提高计算速率，是光子计算领域面临的重大挑战。

2、现有的光子并行计算技术多基于传统的集成光学结构，如多模干涉耦合器(mmi)、微环谐振器(mr)等，这些结构虽然可行，但往往尺寸较大，并且难以同时处理多个计算任务。随着超材料技术的发展，利用其独特的光学性质，可以设计出微米尺寸的光子并行计算器件，这为提高光子计算性能和集成度提供了可能。

3、然而，超材料在实际应用中仍存在诸多挑战，如设计复杂度高，对制造精度要求极高，以及计算模式的可重构性和可扩展性有限等。因此，需要一种新的设计和制造方法，以实现更紧凑、高性能和多功能的光子并行计算器件。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种超紧凑光子张量计算芯片及设计方法，旨在解决现有技术中光子并行计算器件只能支持单通道运算、难以并行处理多任务的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种超紧凑光子张量计算芯片，包括依次连接的m个输入波导、转换区域和n个输出波导，其中m和n为正整数；每个输出波导能够支持q个模式，输入张量为m个输入波导输入的一个光复振幅构成的一个m维输入张量信号，输出张量为n个输出波导输出的q个光复振幅构成的q个n维输出张量信号，转换区域用于执行转换函数进行并行计算，以将m维输入张量转换为n维输出张量；其中q为正整数；

3、所述转换区域被划分为x×y个同等大小的像素块，其中x和y为正整数；每个像素块的状态分别为刻蚀状态和非刻蚀状态，刻蚀状态为将像素块的中心刻蚀为通孔，每个像素块的状态根据优化算法确定，以使所述转换区域的转换函数趋近目标转换函数。通过在所述转换区域形成一个特殊的通孔阵列结构，该结构利用特定的优化算法调整像素阵列排布，以实现并行计算。

4、优选地，所述优化算法为直接二值搜索算法或者伴随法。

5、优选地，所述输入波导为基模波导，所述输出波导为多模波导。

6、优选地，所述像素块中的通孔为圆形通孔。

7、优选地，所述输入波导的宽度和输出波导的宽度为能够确保输入波导只支持1个模式，而输出波导能够支持q个模式的尺寸。

8、优选地，所述输出波导之间的间隔为1μm，以适应特定的设计要求和功能性能。

9、优选地，所述像素块中的孔直径为80nm～100nm，深度为120nm～200nm。

10、根据本发明的另一个方面，提供了一种超紧凑光子张量计算芯片的设计方法，该方法包括以下步骤：

11、(1)采用soi基片，在所述基片上形成m个输入波导和n个多模波导；

12、(2)在所述基片上，将所述输入波导和所述输出波导之间的转换区域分割为x×y个同等大小的像素块；

13、(3)利用优化算法，对每个像素块进行打孔处理以形成一个特定的通孔阵列结构，该结构用于并行光子计算。在优化过程中，算法通过迭代调整通孔阵列的排布，处理m个输入光波导的基模光复振幅构成的m维输入张量信号，并确保这些信号能够转换成n个输出光波导输出的q个高阶模光复振幅构成的q个n维输出张量信号。迭代过程持续进行，直至达到一个转换函数，该转换函数满足预定的设计目标，即能够将输入张量信号精确映射到输出张量信号。

14、(4)经过多次迭代后，将得到一个最优的打孔阵列，用以实现的并行张量计算功能。

15、优选地，所述输入波导的宽度和输出波导的宽度为能够确保输入波导只支持1个模式，而输出波导能够支持q个模式的尺寸。

16、优选地，所述输出波导之间的间隔为1μm，以适应特定的设计要求和功能性能。

17、优选地，所述像素块中的孔直径为80nm～100nm，深度为120nm～200nm。

18、通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具备以下有益效果：

19、(1)本发明的超紧凑光子张量计算芯片采用独特设计，通过整合多个模式通道，实现了对单一输入信号的多路并行计算，能够针对任意复振幅转换目标进行精确的张量计算与转换。这一突破性技术不仅显著提升了光子计算的并行处理能力，还在微米级尺寸的芯片上实现了多任务处理，大幅度提高了光子计算芯片的集成度和性能。

20、(2)本发明的亚波长空气孔阵列经由优化算法进行精确排布，由于亚波长尺寸的空气孔阵列的排布可以等效为一种非均匀缓变的折射率分布区域，其非均匀缓变的折射率分布功能效仿先进的超材料特性，可以同时对输入的一个基模张量进行引导，转换为输出波导中的多个张量(对应多个模式)，进而实现了多路并行计算的功能。

技术特征：

1.一种超紧凑光子张量计算芯片，其特征在于，包括依次连接的m个输入波导、转换区域和n个输出波导；其中m和n为正整数；输入张量为m个输入波导输入的一个光复振幅构成的一个m维输入张量信号，输出张量为n个输出波导输出的q个光复振幅构成的q个n维输出张量信号，转换区域用于执行转换函数进行并行计算，以将m维输入张量转换为n维输出张量；其中q为正整数；

2.根据权利要求1所述的超紧凑光子张量计算芯片，其特征在于，所述优化算法为直接二值搜索算法或者伴随法。

3.根据权利要求1所述的超紧凑光子张量计算芯片，其特征在于，所述输入波导为基模波导，所述输出波导为多模波导。

4.根据权利要求3所述的超紧凑光子张量计算芯片，其特征在于，输入波导只支持1个模式，输出波导支持q个模式。

5.根据权利要求1所述的超紧凑光子张量计算芯片，其特征在于，所述像素块中的通孔为圆形通孔。

6.根据权利要求5所述的超紧凑光子张量计算芯片，其特征在于，所述像素块中的通孔直径为80nm～100nm，深度为120nm～200nm。

7.根据权利要求1所述的超紧凑光子张量计算芯片，其特征在于，所述输出波导沿光的传播方向并行排列，间隔为1μm。

8.一种如权利要求1至7任一项所述的超紧凑光子张量计算芯片的设计方法，其特征在于，所述转换区域通过如下步骤优化得到：

技术总结本发明公开了一种超紧凑光子张量计算芯片及设计方法，属于集成光子器件领域。包括M个输入波导和N个输出波导，其中输出波导支持Q个模式，在所述输入波导和输出波导之间具有X×Y个同等大小的像素块组成的转换区域；通过在像素块内进行精确打孔，形成特殊的通孔阵列结构。这种结构利用优化算法对像素阵列进行排布，由于亚波长尺寸的空气孔阵列的排布可以等效为一种非均匀缓变的折射率分布区域，可以同时对M个输入波导中基模组成的输入一个M维张量信号进行引导，转化为N个输出端口中的Q个模式组成的Q个N维输出张量信号，从而使得同一个的输入信号能够完成Q种不同的并行张量运算。技术研发人员：张敏明,王凯元,郑爽受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9