用于光信息处理的硅基集成化光学向量-矩阵乘法器

向量-矩阵乘法在众多学科都是一种极其重要的基本运算，用光学方式实现向量-矩阵乘法的设备即为光学向量-矩阵乘法器。从前的实现方式普遍采用的是分立光学元件的组装，器件尺寸大、功耗高、成本高，相对于电学计算难以发挥明显优势，在这样的背景下，研究光学向量-矩阵乘法器的集成化方案，具有非常重要的理论与应用价值。.本课题拟开展用于光信息处理的硅基集成化光学向量-矩阵乘法器的研究，重点研究硅基纳米线波导微环谐振器的结构及尺寸与滤波特性的关系，研究硅基纳米线波导微环谐振器的电光调谐技术，通过结构优化和工艺优化，设计并制作出满足一定滤波和调谐性能要求的微环谐振器单元；然后，将多个满足一定要求的可调谐微环谐振器按一定的方式组合构建二维光学调制器矩阵，并与激光器列阵、探测器列阵构成能实现二进制量向量-矩阵乘法的光学处理器。

数字信号处理中的大多数算法均可转化为矩阵运算，光信号由于本征的并行和高带宽特性，非常适合进行矩阵运算。因此，为电学数字信号处理器嵌入光学运算内核是非常有前景的高性能数字信号处理方案。自从美国Stanford大学的J. W. Goodman教授于1978年提出基于自由空间光学的光学矩阵处理器以来，光学矩阵运算获得了长足的发展。基于自由空间光学的光学矩阵处理器存在体积大、功耗高、扩展性差、矩阵变化缓慢等不足，如何突破传统光学矩阵处理器的瓶颈成为目前光计算领域的一大难题。. 我们研究小组于2007年底开始从事利用自由空间光学实现光学矩阵运算的研究，在研究过程中，我们结合自身技术优势和光学矩阵运算的原理，提出了国际首个硅基集成光学矩阵处理器的方案（ZL.200810116741.0）。从产生想法，突破关键技术，经过四年刻苦攻关，最终实现了器件的原理性验证。. 取得的具体研究成果如下： . （1）研制出了传输损耗仅为2.2 dB/cm的硅光子线波导，研制出了与光纤的耦合损耗为2.1dB的倒锥形波导耦合结构。. （2）建立了硅微环谐振器的结构参数库，其品质因子在1000～55000变化。. （3）发明了1个新的硅基集成光学向量-矩阵乘法器的结构，有效避免了光学向量-矩阵乘法器在片上集成时光学交叉过多的问题；摸索出热电混合硅基集成光学向量-矩阵乘法器的制作工艺，有效避免了共振波长漂移带来的器件表征困难。. （4）实现了国际首个硅基集成的光学向量-矩阵处理器，计算速度为8×107乘加运算/秒。理论分析表明：随着工作频率和集成度的提高，未来硅基集成光学向量-矩阵处理器的速度可达到1015~16乘加运算/秒，比ADI公司先进的处理器TigerSHARC（1.92×1010MAC/s）快5个数量级。. 发表期刊论文23篇（21篇SCI收录），申请中国发明专利21项，获授权中国发明专利7项，在国际学术会议做报告14次，其中，邀请报告2次。