[发明专利]一种基于多模干涉的光计算芯片和控制系统

说明书

本发明公开一种基于多模干涉的光计算芯片和控制系统，该光计算芯片包括下包层，布置在下包层上的光波层以及电极阵列；光波层包括输入光波导和多模干涉区；光波层的折射率大于下包层的折射率；输入光波导的出射端与多模干涉区的入射端相连。多模干涉区作为数据输入区和计算区，其上部铺设有电极阵列。电极阵列中的电极单元用于数据输入或多模干涉调节。光计算芯片控制系统可以对两种电极进行控制，从而实现不同的计算功能。本发明的光计算芯片结构简单、成本低、可以实现并行逻辑运算和其他高阶运算。通过光计算芯片控制系统，直接对电极功率进行扫描，从而不需要仿真即可实现需要的光计算功能，可有效减少开发周期和成本。

技术领域

本发明涉及光学计算、光电芯片领域，尤其涉及一种基于多模干涉的光计算芯片和控制系统。

背景技术

光通信的快速发展需要结构紧凑、低功耗、低成本和多功能的光子集成电路(photonic integrated circuit,PIC)。同时，光子集成电路也可以用来实现片上光信号处理和光子计算。目前，大多数光子集成电路都是为特定的应用而设计和制造的，这就导致该光子集成电路的光路及功能是固定不变的，无法适用于多种应用领域和应用场景。同时，目前光子集成电路的设计需要大量的模拟仿真，以及针对仿真定义的参数进行精确地制备，这在一定程度上增加了开发周期和开发成本。

电子计算是目前主流的逻辑计算方式。晶体管作为现行数字逻辑计算的基元器件，其集成度越来越逼近摩尔定律的极限。在电子计算中，并行逻辑计算需要对晶体管元件进行复杂的级联。随着并行数的增加，芯片电路复杂度呈指数级增长。

现行的片上可编程的光逻辑门芯片主要基于马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnderinterferometer,MZI)的原理，为了实现并行逻辑运算，基元器件MZI需要和晶体管一样大规模级联。同时，对MZI基元器件的调控需要精确的相位控制，这需要制备过程中精密的电极对准以及测试过程中精确的电极调控。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点而提供一种基于多模干涉的光计算芯片、控制系统和设计方法。具体技术方案如下：

一种基于多模干涉的光计算芯片，所述的光计算芯片包括下包层以及布置在所述下包层上的光波层；光波层包含输入光波导和多模干涉区；所述的光波层的折射率应大于所述的下包层的折射率；

所述的输入光波导的出射端与所述的多模干涉区的入射端相连；

多模干涉区作为数据输入区和计算区，其上部铺设有电极阵列；

电极阵列中的电极用于数据输入或多模干涉调控；

所述多模干涉区支持2个及以上的模式。

进一步地，该芯片还包括上包层，所述上包层布置在所述光波层上，所述电极阵列铺设在所述上包层上，且位于所述多模干涉区的正上方，所述的上包层的折射率小于所述光波层的折射率。

进一步地，所述光波层还包括输出光波导，所述输出光波导的入射端与多模干涉区的出射端相连。

一种基于多模干涉的光计算芯片的控制系统，该控制系统还包括：

微电路控制单元，所述微电路控制单元用于控制所述光计算芯片的电极阵列，调控所述光波层产生不同的折射率分布，从而改变多模干涉区的模式分布；

光源，所述光源布置在所述的光计算芯片的输入光波导的入射端；

成像系统，布置在所述输出光波导的出射端，用于接收输出的光信号并将光信号转换为电信号，并发送给处理器；

处理器，所述处理器用于控制所述微电路控制单元和成像系统，对光计算芯片的计算结果进行分析，并建立电极阵列输入信号和对应芯片输出信号的数据库。

进一步地，所述成像系统还可以为集成在所述光计算芯片中的高速光电探测器。