前沿进展|超低串扰波长复用的集成光子张量处理单元

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，德国明斯特大学的Wolfram Pernice教授及其合作者展示了一种超低串扰波长复用的集成宽带光子张量核，并首次实现了PCT所有无源器件的片上集成，相关研究相关研究成果以“Broadband photonic tensor core with integrated ultra-low crosstalkwavelength multiplexers”为题，发表在Nanophotonics上。

2022 | 前沿进展

02 研究背景

物联网和自动驾驶等基于人工智能系统的开发，带来了对计算能力的强烈需求。一种很有希望满足这些要求的方法是开发专用集成电路（ASIC），这些电路是为执行给定的计算任务而定制的。为了满足计算能力的需求，研究人员推出了一种新的方法：用光代替电来执行计算。研究人员根据光粒子的特性创造了光子张量核(PCT)，该PCT并行执行矩阵向量乘法（MVMs），能够以前所未有的速度处理数据，甚至有潜力在能量效率、处理速度和并行化方面超过电学ASIC。

03 研究创新点

不同于电学数据处理，光学数据处理过程可以在一个光学计算单元通过波分复用技术（WDM）实现多个输入信号的并行处理。在每个时间步长中，多个输入信号被发送到不同WDM信道的乘法器中。然后，将各通道复用（MUX），经乘法器处理后再解复用（DEMUX），恢复各通道的结果。由于线性计算和光学的基本叠加原理，这种额外的并行化层是可行的。此外，MUX和DEMUX是无源器件，因此不需要额外有源电源。

图1 并行光子数据处理。(a) 电学和光学数据处理的对比。(b) MUX/DMUX通道之间串扰允许的最大串扰。(c) 光子张量核的示意图。

基于布拉格add-drop滤波器，MUX/DEMUX单元实现8 bits计算精度的多通道并行计算。同时，提出了一种新的布拉格光栅解析设计规则，可以应用于任何折射率对比度的光子平台。通过级联多级add-drop滤波器，消光比大于61 dB，而插入损耗小于1 dB。

图2 布拉格散射add-drop 滤波器。(a) 布拉格add-drop滤波器的工作原理示意图。(b) 单个add-drop滤波器的光子电路。(c) 单个滤波器传输谱。(d) 用于级联add-drop 滤波器的光路。(e) 级联滤波器的传输。

研究人员在非相干叠加的框架下，采用相变材料Ge₂Sb₂Te₅ (GST) 作为可衰减单元对激光脉冲进行乘法计算，提出了一种基于平衡检测的参考计算方案，将电后处理减小到最少，且光子电路是对称的，最大限度地减小波长依赖性和制作工艺公差的影响。

图3 光子乘法单元。(a) 基于GST的基本光子乘法单元。(b)GST单元的传输谱。由于晶体中折射率的虚部随着波长的增大而减小，波长越大，透射率越高。(c) GST中间状态的对比。(d) 新型光子乘法单元。(e)由于光子电路的对称性，乘法单元的波长依赖性变得最小。

研究人员将上述开发和表征的add-drop滤波器和乘法单元组合起来，构建了完整的波长复用光子张量核。该设计能够实现4通道并行的4×4实值矩阵向量乘法（MVM）。与直接在光子电路中实现负矩阵权值（通过在乘法器单元中编码GST单元的状态）相比，负输入权值需要一个电预处理步骤。

图4 波长复用光子学交叉阵列。(a) 光子交叉栅阵列示意图。(b) 光子电路。(c)测量波长通道

04 总结与展望

将乘法推广大任意实因子，开发了一种由相变材料GST构成的对称乘法单元。可变GST衰减器在100 nm的带宽内实现调制深度5 dB，波长依赖性低于0.8 dB。通过设计和级联基于布拉格散射的MUX，实现消光比大于61 dB，插入损耗小于1 dB。这一研究成功表征了12.5 THz带宽内的所有无源组件，为实现一个完全集成的光子张量核系统提供了新途径。

论文链接：https://doi.org/10.1515/nanoph-2021-0752

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科学编辑 | 黄蕊

编辑 | 金梦菲菲

END

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