CN115023909A - 线性光子处理器和相关方法 - Google Patents

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Abstract

描述了光子处理器。本文中所述的光子处理器被配置成执行矩阵‑矩阵(例如，矩阵‑矢量)乘法。一些实施方式涉及根据双轨架构布置的光子处理器，其中数值被编码到一对光信号之间的差中(例如，光信号的功率之间的差中)。相对于其他架构，这些光子处理器表现出提高的抗噪声能力。一些实施方式涉及包括基于可调制检测器的乘法器的光子处理器。可调制检测器是设计成使得可以根据电控制信号调制光电流的检测器。使用基于可调制检测器的乘法器设计的光子处理器比其他类型的光子处理器更紧凑。

Description

线性光子处理器和相关方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年11月22日在代理人案卷号L0858.70016US01下提交的题为“SYSTEMS AND METHODS FOR ANALOG COMPUTING”的美国临时专利申请序列号62/939,480的根据35U.S.C.119(e)的权益，其全部内容通过引用并入本文。
本申请要求2020年1月17日在代理人案卷号L0858.70023US00下提交的题为“MODULATABLE DETECTOR-BASED MULTIPLIERS”的美国临时专利申请序列号62/962,759的根据35U.S.C.119(e)的权益，其全部内容通过引用并入本文。
本申请要求2020年1月20日在代理人案卷号L0858.70022US00下提交的题为“DUAL-RAIL PHOTONIC MULTIPLIER SYSTEM WITH APPLICATIONS TO LINEAR PHOTONICPROCESSOR”的美国临时专利申请序列号62/963,315的根据35U.S.C.119(e)的权益，其全部内容通过引用并入本文。
本申请要求2020年2月5日在代理人案卷号L0858.70026US00下提交的题为“MODULATABLE DETECTORS”的美国临时专利申请序列号62/970,360的根据35U.S.C.119(e)的权益，其全部内容通过引用并入本文。
本申请要求2020年2月18日在代理人案卷号L0858.70026US01下提交的题为“MODULATABLE DETECTORS”的美国临时专利申请序列号62/978,181的根据35U.S.C.119(e)的权益，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
深度学习、机器学习、潜变量模型、神经网络和其他基于矩阵的可微程序用于解决各种问题，包括自然语言处理和图像中的对象识别。使用深度神经网络解决这些问题通常需要较长的处理时间来执行所需的计算。解决这些问题中计算量最大的运算通常是数学矩阵运算，例如矩阵乘法。
发明内容
一些实施方式涉及一种用于执行数学运算的方法，包括：接收输入光信号；获取第一数值和第二数值；通过使用第一数值修改输入光信号来生成第一编码光信号和第二编码光信号；使用第二数值以及第一编码光信号和第二编码光信号生成第一编码输出信号和第二编码输出信号；以及使用第一编码输出信号和第二编码输出信号获取数学运算的结果。
在一些实施方式中，第一编码输出信号和第二编码输出信号是光信号。
在一些实施方式中，第一编码输出信号和第二编码输出信号之间的差与第一编码光信号和第二编码光信号之间的差成比例。
在一些实施方式中，第一编码输出信号和第二编码输出信号之间的差与第二数值成比例。
在一些实施方式中，第一编码光信号和第二编码光信号之间的差与第一数值成比例。
在一些实施方式中，第一编码光信号和第二编码光信号彼此正交。
在一些实施方式中，第一编码光信号和第二编码光信号的相应相位是不相关的。
在一些实施方式中，第一编码光信号和第二编码光信号具有不同的载波频率。
在一些实施方式中，第一编码光信号和第二编码光信号具有恒定的正交相位差。
在一些实施方式中，其中，接收输入光信号包括从非相干光源接收输入光信号。
在一些实施方式中，第一编码光信号和第二编码光信号具有正交偏振。
在一些实施方式中，第一编码光信号和第二编码光信号在时间上不交叠。
在一些实施方式中，生成第一编码光信号和第二编码光信号包括传送输入光信号通过光学调制器。
在一些实施方式中，生成第一编码光信号和第二编码光信号包括基于第一数值设置光学调制器的特性。
在一些实施方式中，获取结果包括从第二编码输出信号中减去第一编码输出信号或从第一编码输出信号中减去第二编码输出信号。
在一些实施方式中，生成第一编码输出信号和第二编码输出信号包括使用一个或更多个可调制检测器检测第一编码光信号和第二编码光信号。
在一些实施方式中，生成第一编码输出信号和第二编码输出信号包括基于第二数值设置一个或更多个可调制检测器的特性。
在一些实施方式中，第一编码光信号和第二编码光信号被限制在不同的光波导内。
在一些实施方式中，获取结果包括获取第一数值乘以第二数值的乘积。
一些实施方式涉及一种光子处理器，包括：多个差分光学编码器，其包括第一差分光学编码器和第二差分光学编码器；耦接至第一差分光学编码器的第一组差分乘法器；耦接至第二差分光学编码器的第二组差分乘法器；第一接收器，其耦接至第一组差分乘法器；以及第二接收器，其耦接至第二组差分乘法器。
在一些实施方式中，多个差分编码器中的至少一个包括具有一对光输出端口的光学调制器。
在一些实施方式中，第一组差分乘法器和第二组差分乘法器中的至少一个差分乘法器包括具有一对光输出端口的光学调制器。
在一些实施方式中，第一组差分乘法器和第二组差分乘法器包括可调制检测器。
在一些实施方式中，光子处理器还包括放置在第一差分光学编码器和第一组差分乘法器之间的光学正交化单元。
在一些实施方式中，光学正交化单元包括蛇形光波导。
在一些实施方式中，光学正交化单元包括光学偏振旋转器。
在一些实施方式中，光子处理器还包括光源和将光源耦接至第一组差分乘法器的分光器树。
在一些实施方式中，分光器树没有波导交叉。
在一些实施方式中，光子处理器还包括被配置成控制多个差分光学编码器的控制器，其中，控制器包括多个晶体管，以及其中，多个晶体管和多个差分光学编码器共享半导体基板的至少一层。
一些实施方式涉及一种用于制造光子处理器的方法，该方法包括：获取半导体基板；在半导体基板上形成：多个差分光学编码器，其包括第一差分光学编码器和第二差分光学编码器；耦接至第一差分光学编码器的第一组差分乘法器；耦接至第二差分光学编码器的第二组差分乘法器；第一接收器，其耦接至第一组差分乘法器；以及第二接收器，其耦接至第二组差分乘法器。
在一些实施方式中，形成多个差分编码器包括形成多个光学调制器，每个光学调制器具有一对光输出端口。
在一些实施方式中，该方法还包括在半导体基板上形成多个晶体管。
在一些实施方式中，多个晶体管和多个差分光学编码器共享半导体基板的至少一层。
一些实施方式涉及一种用于执行数学运算的方法，该方法包括：接收输入光信号；获取第一数值和第二数值；通过使用第一数值修改输入光信号来生成编码光信号；至少部分地通过以下方式生成光电流：使用可调制检测器检测编码光信号，并且基于第二值设置可调制检测器的特性；以及使用光电流获取数学运算的结果。
在一些实施方式中，可调制检测器包括光电检测器，以及其中，基于第二值设置可调制检测器的特性包括基于第二值设置光电检测器的响应度。
在一些实施方式中，获取结果包括获取第一数值乘以第二数值的乘积。
在一些实施方式中，可调制检测器包括控制电容器，以及其中，设置可调制检测器的特性包括设置施加到控制电容器的电压。
在一些实施方式中，控制电容器包括金属氧化物半导体电容器(MOS cap)，以及其中，设置施加到控制电容器的电压包括设置施加到MOS cap的电压。
在一些实施方式中，设置可调制检测器的特性包括产生载流子雪崩。
在一些实施方式中，生成编码光信号包括传送输入光信号通过光学调制器。
在一些实施方式中，可调制检测器包括光电检测器和晶体管，以及其中，设置可调制检测器的特性包括设置施加到晶体管的电压。
在一些实施方式中，可调制检测器包括光电检测器和增益级，以及其中，基于第二值设置可调制检测器的特性包括基于第二值设置增益级的电流增益。
一些实施方式涉及一种被配置成执行数学运算的光子装置，该光子装置包括：光学编码器；可调制检测器，其耦接至光学编码器的输出；以及控制器，其耦接至光学编码器和可调制检测器二者，该控制器被配置成：获取第一数值和第二数值；控制光学编码器通过使用第一数值修改输入光信号来生成编码光信号；控制可调制检测器响应于接收到编码光信号而生成光电流，其中，控制可调制检测器包括基于第二数值设置可调制检测器的特性；以及使用光电流计算获取数学运算的结果。
在一些实施方式中，可调制检测器包括光电检测器，以及其中，基于第二值设置可调制检测器的特性包括基于第二值设置光电检测器的响应度。
在一些实施方式中，可调制检测器包括光吸收区和位置邻近光吸收区的控制电容器。
在一些实施方式中，控制电容器包括金属氧化物半导体电容器(MOS cap)。
在一些实施方式中，可调制检测器还包括位置邻近MOS cap的电子雪崩区域。
在一些实施方式中，可调制检测器包括：第一光电检测器和第二光电检测器；第一晶体管和第二晶体管，其二者耦接至第一光电检测器；第三晶体管和第四晶体管，其二者耦接至第二光电检测器。
在一些实施方式中，第一光电检测器耦接至第一晶体管和第二晶体管的相应源极，以及其中，第一晶体管和第三晶体管具有彼此耦接的漏极。
在一些实施方式中，第一晶体管和第三晶体管被布置为反相器，以及其中，第一光电检测器耦接至第一晶体管和第二晶体管的相应源极。
在一些实施方式中，第一光电检测器还耦接至第三晶体管和第四晶体管并且第二光电检测器还耦接至第一晶体管和第二晶体管，以及其中，第一晶体管和第二晶体管具有彼此耦接的漏极和彼此耦接的源极。
在一些实施方式中，可调制检测器包括：第一光电检测器和第二光电检测器；第一晶体管和第二晶体管，其二者耦接至第一光电检测器；以及节点，其耦接至第一光电检测器和第二光电检测器并且还耦接至第一晶体管和第二晶体管。
在一些实施方式中，可调制检测器包括光电检测器和多个晶体管，以及其中，光电检测器和多个晶体管形成在公共半导体基板上。
在一些实施方式中，可调制检测器包括不同布置的多个平衡光电检测器和多个晶体管。
一些实施方式涉及一种光子处理器，包括：多个差分光学编码器，其包括第一差分光学编码器和第二差分光学编码器；耦接至第一差分光学编码器的第一对可调制检测器；耦接至第二差分光学编码器的第二对可调制检测器；耦接至第一对可调制检测器的第一差分接收器；以及耦接至第二对可调制检测器的第二差分接收器。
在一些实施方式中，第一对可调制检测器中的至少一个包括光吸收区和位置邻近光吸收区的控制电容器。
在一些实施方式中，控制电容器包括金属氧化物半导体电容器(MOS cap)。
在一些实施方式中，第一对可调制检测器中的至少一个包括：第一光电检测器和第二光电检测器；第一晶体管和第二晶体管，其二者耦接至第一光电检测器；以及第三晶体管和第四晶体管，其二者耦接至第二光电检测器。
在一些实施方式中，第一光电检测器耦接至第一晶体管和第二晶体管的相应源极，以及其中，第一晶体管和第三晶体管具有彼此耦接的漏极。
在一些实施方式中，第一对可调制检测器中的至少一个包括：第一光电检测器和第二光电检测器；第一晶体管和第二晶体管，其二者耦接至第一光电检测器；以及节点，其耦接至第一光电检测器和第二光电检测器并还耦接至第一晶体管和第二晶体管。
在一些实施方式中，第一对可调制检测器中的至少一个包括光电检测器和多个晶体管，其中，光电检测器和多个晶体管形成在公共半导体基板上。
一些实施方式涉及一种用于制造光子处理器的方法，该方法包括：获取半导体基板；在半导体基板上形成：多个差分光学编码器，其包括第一差分光学编码器和第二差分光学编码器；耦接至第一差分光学编码器的第一对可调制检测器；耦接至第二差分光学编码器的第二对可调制检测器；耦接至第一对可调制检测器的第一差分接收器；以及耦接至第二对可调制检测器的第二差分接收器。
在一些实施方式中，形成多个差分编码器包括形成多个光学调制器，每个光学调制器具有一对光输出端口。
在一些实施方式中，形成第一对可调制检测器包括形成多个晶体管。
在一些实施方式中，多个晶体管和多个差分光学编码器共享半导体基板的至少一层。
附图说明
将参考以下附图来描述本申请的各个方面和实施方式。应理解，附图不一定按比例绘制。出现在多个附图中的项目在它们出现的附图中用相同的附图标记表示。
图1A是示出根据一些实施方式的双轨光学乘法器的框图。
图1B是示出根据一些实施方式的用于使用双轨光学乘法器执行乘法的方法的流程图。
图2A是示出根据一些实施方式的可调谐定向耦合器的图。
图2B是更详细地示出根据一些实施方式的图2A的可调谐定向耦合器的一部分的图。
图3是示出根据一些实施方式的Mach-Zehnder干涉仪的图。
图4A至图4D是示出根据一些实施方式的附加双轨光学乘法器的框图。
图5是根据一些实施方式的矩阵矢量乘法的表示。
图6是根据一些实施方式的根据2×2配置布置的光子处理器的框图。
图7A是根据一些实施方式的根据4×4配置布置的光子处理器的框图。
图7B是示出根据一些实施方式的分光器树的图。
图8是示出根据一些实施方式的另一分光器树的图。
图9A是示出根据一些实施方式的可调制检测器的框图。
图9B是示出根据一些实施方式的以不同方式布置的一对可调制检测器的框图。
图9C至图9D是示出根据一些实施方式的可调制检测器的内部的框图。
图10A是示出根据一些实施方式的包括图9A的可调制检测器的光学乘法器的框图。
图10B是示出根据一些实施方式的用于执行乘法的方法的流程图。
图11是示出根据一些实施方式的包括图9B的可调制检测器的差分光学乘法器的框图。
图12A是根据一些实施方式的根据2×2配置布置的另一个光子处理器的框图。
图12B是根据一些实施方式的根据4×4配置布置的另一光子处理器的框图。
图12C是示出根据一些实施方式的分光器树的图。
图13是示出根据一些实施方式的光电导体的图。
图14A是根据一些实施方式的包括金属氧化物半导体电容器(MOS cap)的光电检测器的顶视图。
图14B是根据一些实施方式的沿BB线截取的图14A的可调制检测器的截面图。
图14C是根据一些实施方式的沿图14B的CC线绘制的能带图。
图15A至图15E是示出根据一些实施方式的图14A的可调制检测器的示例响应度的曲线图。
图16A至图16B是示出根据一些实施方式的随时间变化的光载流子浓度的曲线图。
图17是示出根据一些实施方式的可调制检测器的示例电流/电压特性的曲线图。
图18A至图18H是示出根据一些实施方式的附加可调制检测器的电路图。
图19A至图19B是示出根据一些实施方式的与图18E的可调制检测器相关联的示例响应度的曲线图。
图20A至图20B是示出根据一些实施方式的包括可调制检测器的基板的截面图。
具体实施方式
I.概述
常规电子处理器面临严重的速度和效率限制，主要是由于电子互连中阻抗的固有存在。连接多个处理器核心和/或将处理器核心连接到存储器涉及使用导电迹线。较大的阻抗值限制了数据能够以可忽略的误码率传输通过迹线的最大速率。对于需要数十亿次操作的处理，这些延迟可能会导致性能显著下降。除了电路在速度上效率低下之外，电路阻抗引起的能量耗散所生成的热量也是开发电子处理器的障碍。
发明人已经认识到并理解使用光信号(代替电信号或与电信号结合)克服了电子计算的上述问题。光信号在光行进的介质中以光速行进。因此，光信号的延迟远小于电传播延迟的限制。此外，不会通过增加光信号行进的距离而消耗任何功率，因此开辟了使用电信号不可行的新拓扑和处理器布局。因此，光子处理器提供比常规电子处理器更好的速度和效率性能。
发明人已经认识到并理解光子处理器非常适合特定类型的算法。例如，许多机器学习算法(例如支持矢量机、人工神经网络和概率图形模型学习)严重依赖于多维数组/张量的线性变换。最简单的线性变换是矩阵矢量乘法，其使用具有O(N2)量级的复杂度的常规算法，其中N是方矩阵的维数乘以相同维数的矢量。发明人已经认识到并理解，光子处理器可以通过将一组特定的输入光信号传播通过有源光学部件的可配置阵列以高度并行的方式执行线性变换，例如矩阵乘法。使用这样的实现方式，可以在数百皮秒内完成维度N＝512的矩阵矢量乘法，而使用常规的基于电子电路的处理则需要数十到数百纳秒。
通用矩阵-矩阵(GEMM)运算在软件算法——包括用于图形处理、人工智能、神经网络和深度学习的算法——中无处不在。当今计算机中的GEMM计算通常使用基于晶体管的***例如GPU***或收缩阵列***来执行。当与电子的相比时，使用光子阵列的矩阵矢量乘法可以具有高的功率效率，因为光信号可以以最小量的损耗在半导体基板内传播。
然而，发明人已经认识到并理解与使用这样的光子阵列相关的许多挑战。首先，就像电子电路一样，光子阵列容易对噪声敏感。由于包括热噪声和散粒噪声的各种机制，光子阵列中会出现噪声。噪声的存在降低了光子阵列准确再现和处理数值的能力，从而降低了光子阵列的整体性能。
其次，光子阵列容易对光损耗敏感。一方面，光源只能生成有限量的光功率。另一方面，光电检测器受到散粒噪声的限制，这意味着光电检测器可以检测到的最小光功率被限制在最低水平。结果是光功率预算受到限制，因此光功率的每一分贝都很重要。光损耗会对功率预算产生负面影响，并且可能由于多种原因而出现光损耗。例如，光调制会导致光损耗。在常规的光学***中，光功率被有意衰减——从而增加了光损耗——以产生调制。例如，在基于幅度的调制方案中，通过抑制光信号的功率来再现逻辑0。
第三，常规光子阵列比诸如晶体管的电子元件占据显著更多的芯片空间，从而限制了可以集成在单个芯片上的处理能力的量。考虑例如通常用于执行光调制的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪。为了提供足够的光调制，Mach-Zehnder干涉仪通常被设计为具有大的长度，通常为几毫米。另一方面，电子电路的核心部件晶体管要小几个数量级。
发明人开发了一种用于执行矩阵-矩阵乘法(包括矩阵-矢量乘法，GEMM运算的核心组成部分)的新型光子处理架构，其避免或减轻了上述挑战。根据本公开内容的方面，本文中描述的架构涉及以差分方式处理光信号。与例如在数字光通信***中所做的将数据编码到单端光信号中不同，该数据被编码到一对光信号之间的差(例如，光信号幅度之间的差或光信号功率之间的差)中。该架构在本文中被称为“双轨”。一个轨道承载光信号，另一个轨道承载另一光信号。轨道可以以多种方式中的任何一种来实现，包括例如使用一对不同的光波导，其中每个波导承载一个光信号。然而，应理解，轨道不必是物理上分开的通道。在一些实施方式中，例如，两个轨道都在相同的物理波导上实现，并且光信号可以通过它们的偏振、波长或其他光学特性彼此区分。
本文中所述的双轨架构降低了光子处理器对噪声的敏感性。统计上，当第一轨道上存在噪声时，具有基本相同特性的噪声也很可能存在于第二轨道上。如果轨道被限定在彼此非常接近的光波导上，则尤其如此。对被编码到轨道的光信号之间的差中的数据进行解码涉及执行减法，这意味着从存在于第二轨道的信号(包括噪声)中减去存在于第一轨道的信号(包括噪声)。如果存在于第一轨道的噪声具有与存在于第二轨道的噪声基本相似的特性(例如，存在相对高的相关性)，则在执行减法时会降低整体噪声。
除了提高对噪声的敏感性之外，本文中所述的双轨架构还降低了调制引起的光损耗。与通过引入光衰减来实现光调制的常规光数字通信***不同，根据本架构的光调制涉及光矢量(相位和/或偏振)的旋转。换言之，调制涉及操纵存在于两个轨道的光信号的相对相位。这导致光损耗的显著降低。
根据本公开内容的另一方面，本文中所述的光子架构涉及基于“可调制检测器”实现的乘法器。可调制检测器是具有至少一种特性的光学检测器，该特性可以由用户使用一个或更多个电控制信号来控制。这些检测器被设计成使得控制信号(例如，电压或电流)的施加会改变检测器的特性，例如检测器的响应度、增益、阻抗等。结果是检测器的光电流(可调制检测器响应光而产生的电流)不仅取决于入射在检测器上的光功率，还取决于施加到检测器的控制信号。这可以通过多种方式中的任一种来实现，如下文进一步详细描述的。在一个示例中，可调制检测器被设计成包括控制电容器。控制电容器被设计成使得施加在其上的电压变化会导致可调制检测器的响应度发生变化。除了其他可能的配置之外，控制电容器可以使用由介电材料隔开的一对电极或使用金属氧化物半导体电容器(MOS cap)来实现。在另一个示例中，可调制检测器包括光电检测器和耦接至光电检测器的增益级。增益级可以连接到光电检测器，使得施加到增益级的电压的变化产生由可调制检测器生成的光电流的变化。下面进一步详细描述可控增益级的几个示例。
使用基于可调制检测器的乘法器的光子阵列比其他类型的光子阵列更紧凑。这是因为可调制检测器比传统上用于在光域中执行乘法的光学装置(例如，移相器(例如，马赫-曾德尔干涉仪)、衰减器和放大器)紧凑得多。
II.双轨光学乘法器
图1A是示出根据一些实施方式的基于双轨架构实现的光学乘法器的框图。该光学乘法器包括光源10、差分光学编码器12、差分光学乘法器14、差分接收器16和控制器17。控制器17包括一对数模转换器(D/A)19和一个数值单元18。
数值单元18生成一对标量数值：x和m。数值m也被称为“权重”或“权重参数”，并且数值x在本文中也被称为“输入数据”、“输入值”或“输入参数”。这些数值可以基于由控制器接收的数据而生成，该数据包括从控制器17内部的存储器获取的数据和/或从另一个计算***提供至控制器17的数据。这些数值可以使用任何数字表示来表示，包括定点或浮点表示。第一D/A19将数值x转换为代表x的电信号。在本示例中，D/A生成电压Vx。第二D/A19将数值m转换为代表m的电信号。在本示例中，D/A生成电压Vm。在一些实施方式中，Vx与x成比例。在一些实施方式中，Vm与m成比例。图1A的双轨光学乘法器被配置成将这些数值彼此相乘，从而产生结果x×m。
光源10可以使用相干源例如激光器来实现。替选地，光源10可以使用非相干源例如发光二极管、放大自发发光源或具有相对大线宽的受激发光源来实现。如本文中所用，术语“相干”和“相干性”是指时间相干性。光源10生成的光功率被标识为“Pin”。
差分光学编码器12接收电压Vx，并作为响应生成一对光信号。标签“Pt”和“Pb”分别标识这些光信号的光功率。差分光学编码器12接收电压Vx，并且基于Vx对从光源10接收的光信号进行编码。更具体地，差分光学编码器12生成一对光信号，使得这些光信号的功率之间的差(Pt-Pb)与x和Pin二者成比例(在图1A中，符号“∝”意思是“与……成比例”)。应理解，这种架构被称为“双轨”，因为x被编码到两个光信号之间的差(如在该示例中的信号功率的差，或在其他示例中，信号幅度之间的差)中。差分光学编码器12可以使用任何合适的光学调制器来实现，包括光学干涉仪(例如，可调谐定向耦合器或马赫-曾德尔干涉仪)、谐振调制器、弗朗兹-凯尔迪什(Franz-Keldysh)调制器等。差分光学编码器12的示例在下面进一步详细描述。
如上所述，Pt标识顶部轨道处的光信号功率，Pb标识底部轨道处的光信号功率。在一些实施方式中，轨道是根据物理通道限定的。在一个示例中，顶部轨道被限定在第一光波导中并且底部轨道被限定在与第一光波导物理上不同的第二光波导中。在另一个示例中，顶部轨道被限定在第一自由空间光通道中并且底部轨道被限定在与第一自由空间光通道空间分开的第二自由空间光通道中。然而，在其他实施方式中，顶部轨道和底部轨道可以由公共物理通道限定。也就是说，差分光学编码器12生成的光信号共享相同的光波导或自由空间通道。在这些实施方式中，每个轨道的光信号可以通过特定的光学特性(例如，时间仓、偏振或波长)与另一轨道的光信号区分开来。在一个示例中，第一轨道处的光信号由光波导的第一偏振模式(例如，光波导的TE00模式)限定，并且第二轨道处的光信号由相同的光波导的第二偏振模式(例如，光波导的TE01模式或TM00模式)限定。在另一个示例中，第一轨道处的光信号由第一波长限定，并且第二轨道处的光信号由第二波长限定。
应理解的是，虽然图1A描绘了其中表示要相乘的数值的信号是电压(Vx和Vm)的架构，在其他实施方式中，可以使用其他类型的电信号(例如电流或电荷)来表示数值。
差分光学乘法器14接收差分光学编码器12生成的光信号，并基于电压Vm生成一对输出光信号。输出光信号的功率分别标记为“Pt'”和“Pb'”。由差分光学乘法器14生成的光信号使得它们的功率差(Pt'-Pb')与m和差值Pt-Pb二者成比例。结果是数量Pt'-Pb'与m、x和Pin中的每一个成比例。由于与x和m二者成比例，因此Pt'-Pb'本质上是用数值x乘以数值m的乘积来编码的。
如下文进一步详细描述的，差分光学乘法器14可以使用任何合适的光子装置来实现，包括任何合适的光学干涉仪，例如可调定向耦合器或马赫-曾德尔干涉仪。
差分接收器16检测光信号Pt'和Pb'，并作为响应生成数值y，数值y等于x×m的乘积。为了执行该操作，接收器16可以例如包括：一对平衡光电检测器；差分跨阻抗放大器，其被配置成生成与Pt'-Pb'成比例的输出电压；以及模数转换器，其被配置成将输出电压转换为数值y。
图1B是示出根据一些实施方式的用于执行数学运算(例如，乘法)的方法的流程图。方法20可以使用任何合适的光学装置来执行，包括图1A中描绘的双轨架构。方法20开始于步骤22，其中光学装置接收输入光信号。参考例如图1A的架构，在步骤22处，差分光学编码器12接收光信号Pin。
在步骤24处，光子装置获取第一数值和第二数值。这些是要相乘的数值。不需要同时获取数值。参照例如图1A的架构，在步骤24处，数值单元18基于存储在控制器17的存储器中的数据和/或基于从另一个计算***获取的数据生成数值x和m。这些数值可以表示任何类型的信息，例如文本、音频、视频等。这些数值可以是实数或复数、正数或负数。
在步骤26处，光子装置通过使用第一数值修改输入光信号来生成一对编码光信号。在一些实施方式中，该对编码光信号被编码成使得光信号之间的差(例如，光信号的功率之间的差或光信号的幅度之间的差)与第一数值成比例。参照例如图1A的架构，在步骤26处，差分光学编码器12基于数值x分别生成具有功率Pt和Pb的光信号。
在步骤28处，光子装置使用第二数值和在步骤26处生成的一对编码光信号生成一对编码输出信号。在一些实施方式中，第一编码输出信号和第二编码输出信号之间的差(在功率或幅度方面)与第一经编码的输入信号和第二经编码的输入信号之间的差(同样，在功率或幅度方面)成比例。在一些这样的实施方式中，第一编码输出信号和第二编码输出信号之间的差与第二数值和第一数值二者成比例。参照例如图1A的架构，在步骤28处，差分光学乘法器14基于数值m和Pt-Pb分别生成具有功率Pt'和Pb'的光信号。
在步骤30处，光子装置使用该对编码输出信号获取数学运算的结果(例如，第一数值乘以第二数值的乘积)。在一些实施方式中，步骤30涉及i)用一对平衡光电检测器检测该对编码输出信号以获取一对光电流，ii)用差分跨阻抗放大器接收光电流以获取输出电压，以及iii)使用模数转换器转换输出电压以获取表示结果(例如，乘积)的数值。参照例如图1A的架构，在步骤30处，差分接收器16生成数值y，其等于x乘以m的乘积。
如上所述，差分光学乘法器14可以使用任何合适的光学装置来实现。根据一些实施方式，一种这样的装置是图2A中描绘的可调谐定向耦合器。定向耦合器包括一对输入光波导，其中一个输入光波导接收光信号Pt，并且另一个输入光波导接收光信号Pb。定向耦合器还包括一对输出光波导，其中一个输出光波导输出光信号Pt'，并且另一个输出光波导输出光信号Pb'。输入光波导对和输出光波导对之间的区域标记为“A”。这是输入光信号组合以生成输出光信号的区域。
区域A在图2B中更详细地描述。在该区域中，波导彼此足够靠近以生成倏逝耦合。波导彼此耦接的耦合系数除其他参数外还取决于波导之间的空间距离d。波导越近，耦合系数越大。在一些实施方式中，定向耦合器可以设计成使得d基于输入信号可调整。这可以使用纳米光机电***(NOEMS)技术来实现。例如，波导可以在区域A中悬浮在空气中，并且可以通过外部电压来控制悬浮波导在横向方向(波导的垂直于传播轴的平面中的方向)上的位置。再次参照图1A，电压Vm可以控制区域A中波导之间的距离。
返回参照图2A，字母“t”标识传输系数，并且字母“k”标识交叉耦合系数(一个波导与另一个波导)。系数t和k以幅度传输表示，并且必须服从关系|t|2+|k|2≤1以提供能量守恒。当乘法装置是无损时实现相等。系数t和k取决于波导d之间的距离。因此，电压Vm控制系数t和k。
功率Pt'等于：顶部波导上传播的Pt的部分(等于|t|2Pt)，加上耦合至顶部波导的Pb的部分(等于|k|2Pb)，再加上顶部波导处的信号与底部波导处的信号的干扰产生的交叉项。应理解，如果输入光场彼此相干(换言之，它们的相位相关)，则干涉项不为零。然而，如果输入光信号相互非相干，则干涉项变为零。这是因为具有不相关相位的相互非相干的光信号不会彼此干扰。因此，假设信号相互非相干，顶部波导处的输出功率简单地由|t|2Pt+|k|2Pb给出。类似地，功率Pb'等于在底部波导上行进的Pb的部分(等于|t|2Pb)加上耦接至底部波导的Pt部分(等于|k|2Pt)，加上底部波导处的信号与顶部波导处的信号的干扰产生的交叉项。同样，如果输入光场彼此相干，则干涉项不为零。然而，如果输入光信号相互非相干，则干涉项变为零。因此，假设信号相互非相干，底部波导的输出功率简单地由|t|2Pb+|k|2Pt给出。
如上所述，在本文中所述类型的双轨架构中，数值被编码到光信号之间的差(功率差或幅度差)中。当输入信号相互非相干时，差Pt'-Pb'等于(|t|2-|k|2)(Pt-Pb)。需要注意，当输入信号相互非相干时，图2A的定向耦合器可以作为光学乘法器操作，因为该定向耦合器输出量|t|2-|k|2乘以量Pt-Pb的乘积。然而，如果输入信号相互相干，则定向耦合器不输出乘积。因此，输入信号相互非相干至关重要。
可以通过多种方式实现相互非相干。首先，可以通过使用非相干光源(例如LED)、放大自发发光源或具有相对大线宽的受激发光源来实现相互非相干。其次，可以通过允许一个波导(例如，顶部波导)行进的距离大于另一个波导(例如，底部波导)行进的距离来实现相互非相干，其中距离之间的差大于光源的相干长度(如下面结合图4C详细讨论的)。
另外地或替选地，差分光学编码器12可以在一些实施方式中使用图2A的定向耦合器来实现。在这样的实施方式中，顶部输入波导接收Pin，并且底部输入波导不接收光信号(尽管相反的情况也是可能的)。输出波导分别输出Pt＝|t|2Pin和Pb＝|k|2Pin，其中t和k使用电压Vx控制(即，通过控制距离d)。
根据一些实施方式，差分光学乘法器14的另一种实现方式在图3中描绘。该实施方式包括马赫-曾德尔干涉仪。在该示例中，系数t和k基于移相器引入的相位
Figure BDA0003707937380000161
和
Figure BDA0003707937380000162
被控制(而移相器又基于电压Vm被控制)。差分输出光功率一般由下式给出：
Figure BDA0003707937380000163
其中，
Figure BDA0003707937380000164
是
Figure BDA0003707937380000165
和
Figure BDA0003707937380000166
之间的差。然而，当使用非相干光源或当光源具有比光延迟线短的相干长度时，相位项
Figure BDA0003707937380000167
时间平均为零。这导致ΔP∝sin(θv)cos(θw)。因此，输出光信号的功率之差与乘积成比例。
图2A和图3的两种实现方式假设输入光信号相互非相干而产生差分光乘法。这是因为，当信号相互非相干时，干扰项为零。需要注意的是，还有其他方法可以使干扰项为零。例如，可以通过将输入光信号限定在相互正交的偏振上来将干涉项设置为零。另外地或替选地，可以通过将输入光信号限定在非交叠时间仓上来将干涉项设置为零。另外地或替选地，可以通过将输入光信号限定在不同载波频率上来将干涉项设置为零。
图4A的架构被设计成使信号Pt和Pb彼此组合，使得干扰项为零。除了图1A的架构，该架构还包括光学正交化单元13。光学正交化单元13被配置成使信号Pt和Pb彼此正交。这里，如果当信号被组合时，生成的干扰项基本上为零，则两个信号是正交的。在图4B的示例中，光学正交化单元13包括光偏振旋转器43。在该示例中，光信号Pt和Pb是正交的，因为它们在正交偏振上限定。
在图4C的示例中，光学正交化单元13包括光延迟线45(例如，蛇形波导)。这里，引入光延迟线以使信号Pt相对于信号Pb延迟足够的量以使信号的相位互不相关。为了达到这个结果，由光延迟线45引入的附加路径必须大于光源的相干长度。在一些实施方式中，光延迟线的尺寸可以被设定为提供恒定的正交相位差。
替选地或附加地，引入光延迟线以将信号Pt相对于信号Pb延迟足够的量，使得信号在时间上不交叠(限定在不同的时间仓中)。为了达到这个结果，由光延迟线45引入的附加延迟必须大于信号脉冲的持续时间。
在另一个示例中，光学正交化单元13包括用于限定一个载波频率上的第一轨道和另一个载波频率上的第二轨道的装置。在一些实施方式中，这可以使用光学非线性介质来实现。替选地，可以通过使用以不同波长发射的两个不同激光器来获取不同的载波频率。第一激光器以第一波长发射并支承第一轨道，第二激光器以第二波长发射并支承第二轨道。
根据一些实施方式，图4D描绘了图4C的架构的实现。这里，差分光学编码器12和差分光学乘法器14二者使用马赫-曾德尔干涉仪70来实现。每个马赫-曾德尔干涉仪包括移相器72。差分光学编码器12的移相器使用电压Vx来控制，并且差分光学乘法器14的移相器使用电压Vm来控制。
III.使用双轨乘法器的光子处理器
图1A的双轨乘法器执行标量乘法(x乘以m)。然而，许多机器学习算法依赖于矩阵-矩阵(例如矩阵-矢量)乘法。一些实施方式涉及被配置成使用上述双轨光学乘法器执行矩阵-矩阵(例如，矩阵-矢量)乘法的光子处理器。这些光子处理器被配置成将矩阵M与矢量X相乘以生成矢量Y。矩阵M在本文中也称为“权重矩阵”，矢量X在本文中也称为“输入矢量”并且矢量Y在本文中也称为“输出矢量”。图5示出了这样的乘法的示例。在该示例中，M是N×N矩阵，但本申请的实施方式不限于方形矩阵或任何特定维度。
根据一些实施方式，在图6中描绘了双轨光子处理器的示例。在该实现方式中，光子处理器被配置成将2×2矩阵(M)乘以2×1输入矢量(X)以获取2×1输出矢量(Y)。第一光源10提供具有功率Pin1的输入光信号，并且第二光源10提供具有功率Pin2的输入光信号(尽管在一些实施方式中可以使用相同的光源)。Pin2可以等于Pin1或与Pin1不同。每个光源后面跟着差分光学编码器12，差分光学编码器12以结合图1A的差分光学编码器所描述的方式操作。第一差分光学编码器接收电压Vx1，其代表数值x1。该差分光学编码器使用电压Vx1对接收的输入光信号进行编码，以生成具有功率Pt1和Pb1的一对编码光信号。这些光信号作为输入被提供至两个差分光学乘法器14。顶部差分光学乘法器接收电压VM11，其代表数值M11。底部差分光学乘法器接收电压VM21，其代表数值M21。两个差分光学乘法器都以结合图1A的差分光学乘法器所描述的方式操作。顶部差分光学乘法器输出光信号Pb11'和Pt11'，并且底部差分光学乘法器输出光信号Pb21'和Pt21'。Pb11'和Pt11'之间的差与M11以及Pb1和Pt1之间的差二者成比例，因此也与乘积M11x1成比例。类似地，Pb21'和Pt21'之间的差与M21以及Pb1和Pt1之间的差二者成比例，因此也与乘积M21×1成比例。使用各自的光电检测器60检测四个输出光信号。
第二差分光学编码器接收电压Vx2，其代表数值x2。该差分光学编码器使用电压Vx2对接收的输入光信号进行编码，以生成具有功率Pt2和Pb2的一对编码光信号。这些光信号作为输入被提供至两个差分光学乘法器14。顶部差分光学乘法器接收电压VM12，其代表数值M12。底部差分光学乘法器接收电压VM22，其代表数值M22。两个差分光学乘法器都以结合图1A的差分光学乘法器所描述的方式操作。顶部差分光学乘法器输出光信号Pb12'和Pt12'，并且底部差分光学乘法器输出光信号Pb22'和Pt22'。Pb12'和Pt12'之间的差与M12以及Pb2和Pt2之间的差二者成比例，因此与乘积M12x2成比例。类似地，Pb22'和Pt22'之间的差与M22以及Pb2和Pt2之间的差二者成比例，因此与乘积M22x2成比例。使用各自的光电检测器60检测四个输出光信号。
如图6所示，光电检测器的输出被组合(参见例如节点62)，从而允许光电流彼此相加。接收器64接收由检测器60生成的光电流。接收器64包括差分跨阻抗放大器(或用于从第二输入电流中减去第一输入电流的其他电路)和模数转换器。顶部接收器64输出数值y1＝M11x1+M12x2。底部接收器64输出数值y2＝M21×1+M22×2。
在图7A中示出4×4双轨光子处理器的示例。该处理器包括四个光源10(未示出)、四个差分编码器12(其将数值x1、x2、x3和x4编码到相应的双轨光信号对中)、四个分光器树75(在图7B中更详细地示出)、十六个差分光学乘法器14(其将各自的输入乘以M11、M21、M31、M41、M12、M22、M32、M42、M13、M23、M33、M43、M14、M24、M34和M44)、三十二个检测器60和四个接收器64。
图7B更详细地示出图7A的光子处理器的一部分。更具体地，图7B示出了分光器树75。分光器树75将由差分光学编码器12生成的光信号传送到多个差分光学乘法器14。在该实施方式中，分光器树包括多个3db分光器76和多个光波导交叉77。每个交叉都可以使用两级波导来实现。例如，一个波导级(例如，底部级)可以由硅制成，并且另一个波导级(例如，顶部级)可以由氮化硅制成。
图8示出了不包括光波导交叉的替选分光器树。发明人已经认识到，传送光通过波导交叉会导致光损耗，从而对光子处理器的整体性能产生负面影响。图8的树改进了光子处理器的性能，因为省略了波导交叉(下面结合图12C描述了这样的分光器树的另一个示例)。
IV.基于可调制检测器的光学乘法器和处理器
发明人已经认识到，由于长的光学干涉仪的存在，一些光学乘法器占据了大量的芯片空间。这限制了可以集成在单个芯片上的乘法器的数目，从而限制了使用这些乘法器的光子处理器的计算能力。一些实施方式涉及基于可调制检测器的紧凑型光学乘法器。可调制检测器是具有可以由用户使用电控制信号来控制的至少一个特性的光学检测器。这些检测器被设计成使得改变控制信号(例如电压或电流)的幅度会改变检测器的特性，例如检测器的响应度、增益、阻抗、电导等。结果是检测器的光电流不仅取决于检测器接收的光功率，还取决于施加到检测器的控制信号。基于可调制检测器的光学乘法器被设计成使得要相乘的因子之一对可调制特性进行调制。例如，在可调制特性是检测器的响应度的一些实施方式中，可以基于权重参数m来控制响应度。
图9A是示出根据一些实施方式的可调制检测器的框图。可调制检测器90接收具有功率P的光信号作为输入，并且作为响应，生成光电流i(可调制检测器的暗电流将从该讨论中忽略)。光电流i通过以下表达式与输入光功率相关：i＝P/R，其中R是可调制检测器的响应度。除了取决于功率P之外，光电流还取决于控制电压V(或者，在其他实施方式中，另一种类型的电信号，例如控制电流)。该检测器前面有“可调制”一词，表示可以通过施加控制电信号来调制光电流。下面进一步详细描述可调制检测器90的示例实现方式。
图9B是示出根据一些实施方式的根据双轨架构布置的一对可调制检测器的框图。顶部可调制检测器接收光功率P+和控制电压V1。光电流i1取决于光功率P+和控制电压V1。类似地，底部可调制检测器接收光功率P-和控制电压V2。光电流i2取决于光功率P-和控制电压V2。
图9C是示出根据一些实施方式的可调制检测器的内部的框图。可调制检测器90包括光电检测器91和增益级92。光电检测器91可以使用光电导体、光电二极管、雪崩光电二极管、光电晶体管、光电倍增管(例如，管)、超导检测器、基于石墨烯的检测器，或任何其他合适类型的光敏装置来实现。增益级92可以包括例如用于放大由光电检测器91生成的电流的电流放大器。在一些实施方式中，对可调制检测器90的特性进行调制可以涉及使用电压V(或使用控制电流)调制光电检测器91的响应度和/或增益级92的增益(例如，电流增益)或阻抗。图9D类似于图9C的图，但示出了以双轨配置布置的一对可调制检测器。如图所示，每个光电检测器91都耦接至两个增益级92。
图10A是示出根据一些实施方式的基于可调制检测器的光学乘法器的框图。就像图1A的乘法器一样，该乘法器包括光源10和控制器17，控制器17包括一对D/As 19和数值单元18。
光学编码器82生成具有与数值x和输入功率Pin二者成比例的功率Px的编码光信号。光学编码器82可以使用任何光学调制器来实现，包括光学干涉仪(例如，可调谐定向耦合器或马赫-曾德尔干涉仪)、谐振调制器、弗朗兹-凯尔迪什调制器等。
可调制检测器90将数值x乘以数值m。这是通过生成与Px和m(通过电压Vm)二者成比例，因此与Pin、x和m成比例的光电流i来实现的。接收器96包括跨阻放大器和模数转换器。接收器96生成输出数值y，其等于x乘以m的乘积。
图10B是示出根据一些实施方式的用于执行数学运算(例如，乘法)的方法的流程图。方法200可以使用任何合适的光学装置来执行，包括图10A中描绘的基于可调制检测器的光学乘法器。
方法200开始于步骤202，其中光学装置接收输入光信号。参照例如图10A的架构，在步骤202处，光学编码器82接收光信号Pin。
在步骤204处，光子装置获取第一数值和第二数值。这些是要相乘的数值。不需要同时获取数值。参照例如图10A的乘法器，在步骤204处，数值单元18基于存储在控制器17的存储器中的数据和/或基于从另一个计算***获取的数据生成数值x和m。这些数值可以代表任何类型的信息，例如文本、音频、视频等。数值可以是实数或复数、正数或负数。
在步骤206处，光子装置通过使用第一数值修改输入光信号来生成编码光信号。参照例如图10A的乘法器，在步骤206处，光学编码器82生成具有与Pin和x二者成比例的功率的编码光信号。
在步骤208处，光子装置生成光电流。该生成涉及使用可调制检测器检测经编码的信号并基于第二数值设置可调制检测器的特性。参照例如图10A的乘法器，在步骤208处，可调制检测器90生成光电流i，这涉及检测光信号Px并基于电压Vm设置可调制检测器的特性。
在步骤210处，光子装置使用光电流获取数学运算的结果。在一些实施方式中，结果表示第一数值乘以第二数值的乘积。在一些实施方式中，该步骤涉及基于在步骤208处生成的光电流生成电压，并将电压转换到数字域。参照例如图10A的乘法器，可以使用接收器96来执行步骤210。
图10A的光学乘法器基于单轨架构。然而，在一些实施方式中，基于可调制检测器的光学乘法器是根据双轨架构布置的。以这种方式，乘法器进一步利用了上面结合图1A描述的益处，包括提高抗噪声能力和减少光损耗。
图11是根据一些实施方式的基于双轨可调制检测器的光学乘法器的框图。该光学乘法器将图1A的架构与图10A的架构进行组合。差分光学编码器12生成一对分别具有功率Pt和Pb的编码光信号。光信号之间的差(例如，信号功率或信号幅度的差)与数值x和输入功率Pin二者成比例。该光学乘法器包括一对可调制检测器90。顶部可调制检测器生成光电流it，底部可调制检测器生成光电流ib。光电流it取决于光功率Pt和电压Vm二者。类似地，光电流ib取决于光功率Pb和电压-Vm二者。it与ib之差与m和Vt-Vb二者成比例，因此与Pin、x和m成比例。在一些实施方式中，两个可调制检测器可以如图9D中所述耦合在一起，使得光电流it和ib二者取决于光功率Pt和Pb以及Vm二者。在这种配置中，可调制检测器将光电流引导至正确的输出轨道，以维持检测器自身生成的大光电流。差分接收器96包括差分跨阻抗放大器(或用于从第二光电流中减去第一光电流的其他电路)和模数转换器。
图10A和图11的基于可调制检测器的乘法器执行标量乘法(x乘以m)。然而，一些实施方式涉及光子处理器，其包括被设计成用于计算矩阵-矩阵(例如，矩阵-矢量)乘法的可调制检测器。这些光子处理器可以使用单轨架构或双轨架构来实现。
根据一些实施方式，图12A中描绘了基于可调制检测器的双轨光子处理器的示例。在该实施方式中，光子处理器被配置成将2×2矩阵(M)乘以2×1输入矢量(X)以获取2×1输出矢量(Y)。该处理器以类似于结合图11描述的乘法器的方式操作。第一光源10提供具有功率Pin1的输入光信号并且第二光源10提供具有功率Pin2的输入光信号(尽管在一些实施方式中可以使用相同的光源)。Pin2可以等于Pin1或与Pin1不同。每个光源后面跟着差分光学编码器12，差分光学编码器12以结合图11的差分光学编码器所描述的方式操作。第一差分光学编码器接收电压Vx1，电压Vx1代表数值x1。该差分光学编码器使用电压Vx1对接收的输入光信号进行编码，以生成具有功率Pt1和Pb1的一对编码光信号。这些光信号作为输入被提供至一组可调制检测器90。顶部的一对可调制检测器接收电压VM11和-VM11，其代表数值M11。底部的一对可调制检测器接收电压VM21和-VM21，其代表数值M21。两对差分可调制检测器以结合图11描述的方式操作。顶部的一对可调制检测器输出光电流ib11和it11，并且底部的一对可调制检测器输出光电流ib21和it21。ib11和it11之间的差与M11和Pb1和Pt1之间的差二者成比例，因此与乘积M11x1成比例。类似地，ib21和it21之间的差与M21和Pb1和Pt1之间的差二者成比例，因此与乘积M21×1成比例。
第二差分光学编码器接收电压Vxl，其代表数值x2。该差分光学编码器使用电压Vx2对接收的输入光信号进行编码，以生成具有功率Pt2和Pb2的一对编码光信号。这些光信号作为输入被提供至一组可调制检测器90。顶部的一对可调制检测器接收电压VM12和-VM12，其代表数值M12。底部的一对可调制检测器接收电压VM22和-VM22，其代表数值M22。顶部的一对可调制检测器输出光电流ib12和it12，并且底部的一对可调制检测器输出光电流ib22和it22。ib12和it12之间的差与M12和Pb2和Pt2之间的差二者成比例，因此与乘积M12×2成比例。类似地，ib22和it22之间的差与M22以及Pb2和Pt2之间的差二者成比例，因此与乘积M22×2成比例。
光电检测器的输出被组合(参见例如节点62)，从而允许将光电流彼此相加。接收器96接收由检测器90生成的光电流。接收器96包括差分跨阻抗放大器(或用于从第二输入电流中减去第一输入电流的其他电路)和模数转换器。顶部接收器96输出数值y1＝M11x1+M12x2。底部接收器96输出数值y2＝M21×1+M22×2。
在图12B中示出基于4×4可调制检测器的双轨光子处理器的示例。该处理器包括四个光源10(未示出)、四个差分编码器12(将数值x1、x2、x3和x4编码到相应的双轨光信号对中)、四个分光器树75、三十二个可调制检测器90(将各自的输入乘以M11、M21、M31、M41、M12、M22、M32、M42、M13、M23、M33、M43、M14、M24、M34和M44)和四个接收器96。
虽然在图11、图12A和图12B中没有明确示出，但可调制检测器90可以根据图9D所示的方案布置。因此，一对可调制检测器的光电检测器91控制直接耦接至光电检测器的增益级和直接耦接至该对的另一个光电检测器的增益级二者。
图12C示出了不包括光波导交叉77的替选分光器树。如图12A的树中所示，每个差分光学编码器馈送四个可调制检测器。在图12A的树中，这四个可调制检测器90都定向在相同的方向上。相反，在图12C的树中，可调制检测器90的一半定向在一个方向上，而可调制检测器90的一半定向在另一方向(例如，相反方向)上。在图12C的图中示出了具有以相反方向定向的可调制检测器的布置。具有以不同方向定向的可调制检测器组允许省略波导交叉的分光器树，从而减少光损耗。
应当注意，结合图12A至图12B描述的光子处理器具有相对较短的光路，尤其是在与图6和图7A的光子处理器相比的情况下。例如将图12A的光子处理器与图6的光子处理器进行比较。在图12A的光子处理器中，光路仅从光源延伸到可调制检测器。相比之下，图6的光子处理器具有更长的光路，其除了包括图12A的光路之外还包括差分光放大器。
尽管光路较短，但图12A的光子处理器充分利用了光信号处理的物理性质。发明人已经理解，被实现为完全在电域中操作的模拟加速器遭受加速器的不同级之间的不需要的耦合。在模拟电子加速器中，除了正向电路径之外，还存在在反向方向上耦合电信号的不需要的反向路径。这会导致各种负面影响，包括噪声增加和速度降低。相比之下，光信号本质上只沿一个方向，即正向方向行进。因此，通常不存在在反向方向上行进的光信号，否则可能会对光子处理器的性能产生负面影响(尽管在一些实施方式中可能存在光学背向反射，但使用适当的光学终端可以显著减少这些反射的程度)。发明人已经理解，例如如图12A所示在光域中对数值进行编码有效地将编码器与乘法器隔离，从而避免了全电动加速器中存在的负面影响。
V.可调制检测器的示例
如上所述，本文中所述类型的可调制检测器是具有至少一个特性的光学检测器，该特性可以由用户使用一个或更多个电控制信号来控制。因此，可调制检测器具有至少一个电控制端子。这些检测器被设计成使得控制信号(例如，电压、电流或电荷)的施加会改变检测器的特性，例如检测器的响应度、增益、阻抗等。结果是检测器的光电流不仅取决于入射到检测器上的光功率，还取决于施加到检测器的控制信号。
如上面结合图9C至图9D所讨论的，在一些实施方式中，对可调制检测器的特性进行调制可以涉及对一个或更多个光电检测器91的响应度进行调制。图13示出了根据一些实施方式的光电检测器91的示例。该光电检测器被配置成用作光电导体——入射光生成电子-空穴对，电子-空穴对在存在电场的情况下使电流流动。光电导体包括光波导1300(例如硅波导)、包括锗的光吸收区1302(尽管在一些实施方式中可以使用除锗以外的吸收材料)以及电极1304和1306。光波导1300向锗区1302提供光。假设波长低于锗的吸收截止波长(在一些实施方式中约为1.9μm)，入射光被锗吸收并生成电子-空穴对。如果在电极1304和1306之间施加电压，则建立将光生载流子扫出锗区的电场，从而生成光电流。在此实现方式中，可调制特性是光电导体的响应度。事实上，发明人已经理解，该光电导体的响应度R(以安培每瓦特测量)取决于施加到电极上的电压V。具体地，响应度由以下表达式给出：
Figure BDA0003707937380000241
其中τn是电子复合时间，μn是电子迁移率，w是器件电极间距，ηi是本征量子效率，α是检测器材料的吸收系数，v是入射光的频率，l是相对于光传播方向在纵向方向上的器件深度。需要注意的是，由于响应度R与电压V成比例，因此光电流也与V成比例。因此，可以通过改变V来控制光电流。
图14A至图14B示出了根据一些实施方式的光电检测器91的另一个示例。图14A是顶视图，并且图14B是沿图14A的BB线截取的截面图。该光电检测器包括波导100(例如硅或氮化硅波导)、高掺杂n区(n+区)102、本征区(i区)103、p区104、氧化物层(例如二氧化硅)105、多晶硅层(或由另一种导电材料制成的层)106、本征区(i区)107、包括锗(或包括另一种吸收材料)的光吸收区108以及高掺杂p区(p+区)110。在一些实施方式中，锗区也被成形为形成光波导。
波导100抵靠锗区108。以此方式，沿着波导100行进的光被传输到锗区108，并因此被吸收。锗区108位于本征区107的顶部上。例如，锗区108在硅上外延生长。高掺杂区102和110连接到各自的电极。P区104与锗区108位置邻近。氧化物层105位于p区104的顶部上，并且多晶硅层106位于氧化物层105的顶部上。
p区104、氧化物层105和多晶硅层106共同形成金属氧化物半导体电容器(MOScap)。应理解，在一些实施方式中可以使用除了MOS cap之外的控制电容器，包括例如肖特基结电容器或基于石墨烯的电容器。图14C示出了沿CC线的图14B的光电检测器的能带图。该图示出了四个频带。顶部频带代表当向MOS cap施加低偏置电压时的导带和当向MOS cap施加大偏置电压时的导带。底部频带代表当向MOS cap施加低偏置电压时的价带和当向MOScap施加大偏置电压时的价带。
施加在n+区和p+区之间的电压控制沿x轴的电场。在图14C的图中，该电压产生反向偏置。反过来，反向偏置会产生沿x轴定向的电场。该电场将光生载流子扫离锗区，假设光载流子具有足够的能量来克服存在于Ge区108和p区104之间的界面处的能垒。
施加到MOS cap或其他控制电容器的电压(称为栅极电压)决定了Ge区108和p区104之间的界面处的电子能垒和空穴能垒的范围。当施加到MOS cap的偏置电压低时，电子能垒和空穴能垒二者比较大。在这些条件下，锗区中光生成的载流子被阻挡，因此不会生成显著的光电流。相反，当施加到MOS cap的偏置电压较大时，电子能垒和空穴能垒二者相对较低。在这些条件下，在锗区光生成的载流子具有足够的能量来克服各自的势垒，从而生成光电流。因此，施加到MOS cap的电压控制光电检测器的响应度。
在一些实施方式中，光电检测器包括雪崩区，其中光生载流子经历碰撞电离，从而产生增益。在图14A至图14B的示例中，i区103形成雪崩区。在其他实施方式中，雪崩区可以包括准i区(例如，掺杂浓度小于10-14cm-3的区域)。碰撞电离发生在雪崩区，这会放大光电流。因此，雪崩区的存在增加了光电检测器的灵敏度。在一些实施方式中，可以通过控制与雪崩区相关联的增益来对光电检测器的响应度进行调制。
图15A是示出图14A和图14B中描绘的类型的光电检测器的响应度的曲线图。在本示例中，锗区的宽度(在平行于x轴的方向上测量)为500nm。如图所示，改变施加到MOS cap的电压(栅极电压)会导致光电检测器的响应度发生变化。如上所述，发生这种响应度变化是因为电压控制了能垒的范围。
图15B是示出图14A和图14B中所描绘类型的光电检测器的响应度的另一曲线图。同样，锗区的宽度为500nm。在这种情况下，输入光信号的功率也会发生变化。如图所示，改变输入功率也会导致响应度的变化，这是不希望的，因为它会对光电检测器的线性度产生负面影响。图15C和图15D示出了类似的曲线图。在图15C的曲线图中，锗区的宽度为1000nm。在图15D的曲线图中，锗区的宽度为1500nm。这些图表明，可以通过正确选择锗区的宽度来缓解响应度对输入功率的依赖性。
图15E进一步示出响应度表现出较弱的温度依赖性。至于功率依赖性，可以通过正确选择锗区的宽度来降低温度依赖性。
发明人已经理解，图14A至图14B的光电检测器的速度取决于施加到MOS cap的栅极电压。当栅极电压高到足以驱动MOS cap反转时，光生载流子会被迅速从锗区扫除。当没有施加栅极电压时，由于能垒的存在，光生载流子被存储在锗区，并通过载流子复合过程大量衰减。
图16A示出了对于时间上窄的入射光脉冲的作为时间函数的光载流子浓度。如图所示，存在两个与光载流子相关的时间常数：一个与上升时间(τγ)相关，另一个与下降时间(τR)相关。上升时间与光生载流子的生成有关。在没有光载流子扫描场的情况下，下降时间与载流子复合过程(在不完美的半导体中通常为纳秒级)相关。这可以通过引入“扫描场”来显著加快。可以周期性地施加扫描场以去除光生载流子并有效地增加如图16B所示器件的带宽。扫描场的一种可能实现方式是将高压脉冲施加到MOS cap。
如上所述，发明人已经理解，光电检测器可以被设计成当在p区104和n+区102之间包括雪崩区时呈现雪崩倍增，如图14B所示。图17描绘了具有变化的栅极电压的代表性光电检测器的反向偏置中的I-V特性。如图所示，在本示例中，雪崩倍增在10V左右开始。
如上结合图9C至图9D所讨论的，在一些实施方式中，对可调制检测器的特性进行调制可以涉及对一个或更多个增益级92的电流增益进行调制。图18A至图18H是根据一些实施方式的具有以可调制电流增益为特征的增益级的各种可调制检测器的电路图。在这些可调制检测器中，增益级92是使用晶体管实现的。此外，在这些可调制检测器中，光功率Px(以及可选的电压-Px)用数值x编码；电压Vm(以及可选的电压-Vm)用数值m编码并对电流增益进行调制；并且光电流ixm(以及可选的电流-ixm)表示数值x乘以数值m的乘积。应理解，虽然这些图示出了使用MOS晶体管形成的增益级，但是可以使用任何其他合适类型的晶体管，包括双极结型晶体管(BJT)和结型场效应晶体管(JFET)。因此，如本文所用，术语“栅极”表示场效应晶体管的栅极或双极晶体管的基极，术语“源极”表示场效应晶体管的源极或双极晶体管的发射极，并且术语“漏极”表示场效应晶体管的漏极或双极晶体管的集电极。还应注意，晶体管的漏极和源极可以互换。因此，在一些实施方式中，当晶体管的漏极被描述为耦接至某个端子时，这包括其中晶体管的源极耦接至该端子的配置(反之亦然)。
图18A至图18H的可调制检测器允许对有符号的数值进行编码。实际上，在这些实施方式中，数值的符号(正或负)是基于光电流的方向来表示的。
图18A的可调制检测器包括光电检测器91和用作增益级92的晶体管T1。光电检测器91检测光信号Px。晶体管T1的源极耦接至光电检测器91。晶体管T1的栅极接收电压Vm。电压Vm控制晶体管T1的栅极-源极电压，从而控制晶体管提供的电流增益。光电流ixm与数值x和数值m二者成比例，从而表示这些数值的乘积。发明人已经理解这样的单端/不平衡电路具有三个限制。首先，这种单端电路对共模噪声和电源噪声敏感，这两种噪声都会降低可调制检测器的性能。其次，低幅度电压Vm使晶体管T1截止，从而严重限制晶体管的速度。第三，部分或全部光电流的阻断导致依赖于光功率的电荷积累，从而生成不仅依赖于所施加的电压Vm而且依赖于输入光功率的有效响应度。
图18B示出了根据一些实施方式的另一个可调制检测器。该可调制检测器包括两个光电检测器91，以提供差分光输入信号Px的平衡检测，在Px输入上具有增强的共模抑制比(CMRR)。增益级92包括互补MOS(CMOS)反相器——p型(PMOS)晶体管T2和n型(NMOS)晶体管T3使得能够通过单端电压Vm进行调制。光电流2ixm表示数值x乘以数值m的乘积。然而，发明人已经理解这种可调制检测器在Vm输入上存在较差的CMRR。为了使电路正常工作，PMOS和NMOS晶体管的尺寸需要适当调整，以提供相等的驱动强度。PMOS晶体管和NMOS晶体管之间的任何工艺变化都会导致***失调误差，从而对电路提供相同驱动强度的能力产生负面影响。此外，该可调制检测器存在上述与图18A的可调制检测器相关的第二个问题和第三个问题。
图18C示出了根据一些实施方式的另一个可调制检测器。该实施方式涉及平衡检测(参见检测器91)和单端调制(参见晶体管T4，其用作增益级92)。光电流2ixm表示数值x乘以数值m的乘积。然而，发明人已经理解，这种可调制检测器具有上述与图18B的可调制检测器相关的相同缺点。
图18D示出了根据一些实施方式的另一个可调制检测器。该可调制检测器包括具有两个晶体管(T5和T6)的增益级，其中两个晶体管(T5和T6)以差分对配置布置以提供差分调制。发明人已经理解该配置导致Vm输入上的大CMRR。此外，该可调制检测器规避了结合图18A至图18C所描述的速度限制。由于调制电输入信号Vm的差分特性，晶体管中的至少一个总是导通，从而实现高速操作。此外，由于电流连续流过增益级，因此依赖于光功率的电荷积累可以忽略不计。因此，可调制检测器的整体响应度不依赖于光功率。然而，发明人已经理解该可调制检测器在Px输入上存在低CMRR。
图18E至图18H的可调制检测器提供了全差分调制和平衡检测，并解决了结合图18A至18D描述的问题。图18E示出了根据一些实施方式的另一个可调制检测器。该可调制检测器包括具有两个差分对的增益级，这两个差分对(参见晶体管对T7至T8和晶体管对T9至T10)具有交叉耦合连接。晶体管T7的漏极耦接至晶体管T9的漏极，并且晶体管T8的漏极耦接至晶体管T10的漏极。光电检测器91耦接至晶体管T7至T10的源极。电压Vm和-Vm控制增益级的电流增益，并且光电流2ixm和-2ixm表示数值x乘以数值m的乘积。图18E的可调制检测器提供高速操作、与光功率无关的整体响应度、对工艺变化和失配的鲁棒性以及Px和Vm输入二者上的大CMRR。
图18F示出了根据一些实施方式的另一个可调制检测器。该可调制检测器类似于图18E的可调制检测器。然而，该可调制检测器包括具有CMOS反相器的增益级，该CMOS反相器具有晶体管差分对。PMOS晶体管T11和NMOS晶体管T12具有彼此耦接的漏极。类似地，PMOS晶体管T13和NMOS晶体管T14具有彼此耦接的漏极。一个光电检测器91耦接至晶体管T12和T14的源极。一个光电检测器91耦接至晶体管T11和T13的源极。该可调制检测器可以被视为图18B的可调制检测器的差分版本。
图18G示出了根据一些实施方式的另一个可调制检测器。该可调制检测器类似于图18E的可调制检测器，但其包括具有一对差分晶体管T15至T16的增益级。该可调制检测器包括节点N1，节点N1耦接至光电检测器91和晶体管T15和T16的源极二者。该可调制检测器可以被视为图18C的可调制检测器的全差分版本。
图18H示出了根据一些实施方式的另一个可调制检测器。该可调制检测器包括具有两个CMOS传输门的增益级。晶体管T17和T18的漏极彼此耦合，晶体管T17和T18的源极也彼此耦合。类似地，晶体管T19和T20的漏极彼此耦合，晶体管T19和T20的源极也彼此耦合。NMOS晶体管T17和PMOS晶体管T18形成第一互补传输门。NMOS晶体管T20和PMOS晶体管T19形成第二互补传输门。节点N2耦接至两个互补传输门和两个光电检测器91。
图19A示出了图18E的可调制检测器的作为电压Vm的函数绘制的稳态总响应度(根据光电流2ixm和输入功率Px测量)。其他可调制检测器具有类似的响应。该曲线图反映了电压Vm对由晶体管T7至T10共同提供的电流增益进行调制这一事实。应该注意的是，整体响应度几乎与输入光功率无关。图19B示出了作为时间函数的瞬态总响应度。瞬态响应表现出小于500ps的稳定时间，因此表明在千兆赫范围内高速操作。
本文中所述类型的光子处理器可以包括数万个(如果不是数十万个)可调制检测器。例如，配置成在256×256矩阵上执行乘法的光子处理器在一些实施方式中可以包括多达131,072个可调制检测器。发明人已经理解将光子处理器集成在单个芯片上以降低制造成本、提高操作速度和限制功耗将是期望的。因为本文中所述类型的光子处理器包括光子电路和电子电路，所以将光子处理器集成在单个芯片上涉及电子-光子协同集成。这可以至少以两种方式实现。
第一种方式涉及在同一硅基板上形成晶体管和硅光子。例如，硅光子和晶体管可以形成在同一硅层上。根据一些实施方式，图20A中描绘了代表性布置。在这种情况下，晶体管和硅光子二者形成在基板300(例如，硅体基板或绝缘体上硅基板)上。在基板的手柄和硅层304之间形成包层302(例如，二氧化硅层)。晶体管306(其包括在图18A至图18H的任何布置中使用的晶体管，以及可选地，构成控制器17的晶体管等)也在硅层304上被图案化。类似地，硅光子308(其包括上述光学编码器、光学乘法器、分光器树等)也在硅层304上被图案化。锗区310(其可以用于形成上述任何光电检测器)例如通过外延生长形成在硅层304的顶部上。
第二种方式涉及在单独的基板上形成硅光子和晶体管并将基板接合在一起。根据一些实施方式，图20B中描绘了代表性布置。这里，晶体管306形成在基板300上，硅光子308形成在基板400上。如在前面的示例中，硅光子308形成在硅层(404)上，锗区310形成在硅层404的顶部上。使用倒装芯片接合技术将基板300和400彼此接合。例如，可以使用穿过包层414的穿氧化物通孔(如图20B中所示)和/或使用穿硅通孔(图20B中未示出)将基板放置成电连通。
VI.结论
至此已经描述了本申请的技术的若干方面和实施方式，应当理解，本领域普通技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进都旨在落入本申请中描述的技术的精神和范围内。因此，要理解的是，前述实施方式仅通过示例的方式被呈现，并且在所附权利要求书及其等同物的范围内，可以以与具体描述的方式不同的方式来实践本发明的实施方式。另外，如果这样的特性、***、物、材料和/或方法不相互矛盾，则本文中描述的两个或更多个特性、***、物、材料和/或方法的任意组合包括在本公开内容的范围内。
另外，如所描述的，一些方面可以被体现为一种或更多种方法。作为方法的一部分被执行的动作可以以任何适当的方式被排序。因此，可以构造以与所示出的顺序不同的顺序来执行动作的实施方式，即使在说明性实施方式中被示出为顺序动作，所述实施方式也可以包括同时执行一些动作。
如本文中定义和使用的所有定义应当被理解为涵盖词典定义、通过引用结合在文献中的定义和/或所定义的术语的普通含义。
除非明确相反地指出，否则如本文在说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一”和“一个”应理解为意指“至少一个”。
如本文在说明书和权利要求中所使用的短语“和/或”应当被理解为表示如此结合的要素——即，在一些情况下以结合的方式存在而在其他情况下以分离的方式存在的要素——中的“任一者或两者”。
如本文在说明书和权利要求书中所使用的，参考一个或更多个要素的列表，短语“至少一个”应当被理解为意指从要素列表中的要素中的任何一个或更多个要素中选择的至少一个要素，但是不一定包括要素列表内具体列出的每个和每一个要素中的至少一个要素，并且不排除要素列表中的要素的任何组合。该定义还允许除了在短语“至少一个”所指的元素列表中具体标识的元素之外的元素可以可选地存在，无论是否与那些具体标识的要素相关或不相关。
在一些实施方式中，术语“近似”和“大约”可以用来意指在目标值的±20％内；在一些实施方式中，术语“近似”和“大约”可以用来意指在目标值的±10％内；在一些实施方式中，术语“近似”和“大约”可以用来意指在目标值的±5％内；而在一些实施方式中，术语“近似”和“大约”可以用来意指在目标值的±2％内。术语“近似”和“大约”可以包括目标值。

Claims (65)

1.一种用于执行数学运算的方法，所述方法包括：
接收输入光信号；
获取第一数值和第二数值；
通过使用所述第一数值修改所述输入光信号来生成第一编码光信号和第二编码光信号；
使用所述第二数值以及所述第一编码光信号和所述第二编码光信号生成第一编码输出信号和第二编码输出信号；以及
使用所述第一编码输出信号和所述第二编码输出信号获取所述数学运算的结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一编码输出信号和所述第二编码输出信号是光信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一编码输出信号和所述第二编码输出信号之间的差与所述第一编码光信号和所述第二编码光信号之间的差成比例。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一编码输出信号和所述第二编码输出信号之间的差与所述第二数值成比例。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一编码光信号和所述第二编码光信号之间的差与所述第一数值成比例。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一编码光信号和所述第二编码光信号彼此正交。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一编码光信号和所述第二编码光信号的相应相位是不相关的。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一编码光信号和所述第二编码光信号具有不同的载波频率。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一编码光信号和所述第二编码光信号具有恒定的正交相位差。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，接收所述输入光信号包括从非相干光源接收所述输入光信号。
11.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一编码光信号和所述第二编码光信号具有正交偏振。
12.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一编码光信号和所述第二编码光信号在时间上不交叠。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述第一编码光信号和所述第二编码光信号包括传送所述输入光信号通过光学调制器。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，生成所述第一编码光信号和所述第二编码光信号包括基于所述第一数值设置所述光学调制器的特性。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，获取所述结果包括从所述第二编码输出信号中减去所述第一编码输出信号或从所述第一编码输出信号中减去所述第二编码输出信号。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述第一编码输出信号和所述第二编码输出信号包括使用一个或更多个可调制检测器检测所述第一编码光信号和所述第二编码光信号。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，生成所述第一编码输出信号和所述第二编码输出信号包括基于所述第二数值设置所述一个或更多个可调制检测器的特性。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一编码光信号和所述第二编码光信号被限制在不同的光波导内。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，获取所述结果包括获取所述第一数值乘以所述第二数值而得到的乘积。
20.一种光子处理器，包括：
多个差分光学编码器，所述多个差分光学编码器包括第一差分光学编码器和第二差分光学编码器；
第一组差分乘法器，所述第一组差分乘法器耦接至所述第一差分光学编码器；
第二组差分乘法器，所述第二组差分乘法器耦接至所述第二差分光学编码器；
第一接收器，所述第一接收器耦接至所述第一组差分乘法器；以及
第二接收器，所述第二接收器耦接至所述第二组差分乘法器。
21.根据权利要求20所述的光子处理器，其中，所述多个差分编码器中的至少一个包括具有一对光输出端口的光学调制器。
22.根据权利要求20所述的光子处理器，其中，所述第一组差分乘法器和所述第二组差分乘法器中的至少一个差分乘法器包括具有一对光输出端口的光学调制器。
23.根据权利要求20所述的光子处理器，其中，所述第一组差分乘法器和所述第二组差分乘法器包括可调制检测器。
24.根据权利要求20所述的光子处理器，还包括放置在所述第一差分光学编码器和所述第一组差分乘法器之间的光学正交化单元。
25.根据权利要求24所述的光子处理器，其中，所述光学正交化单元包括蛇形光波导。
26.根据权利要求24所述的光子处理器，其中，所述光学正交化单元包括光学偏振旋转器。
27.根据权利要求20所述的光子处理器，还包括光源和将所述光源耦接至所述第一组差分乘法器的分光器树。
28.根据权利要求27所述的光子处理器，其中，所述分光器树没有波导交叉。
29.根据权利要求20所述的光子处理器，还包括被配置成控制所述多个差分光学编码器的控制器，其中，所述控制器包括多个晶体管，以及其中，所述多个晶体管和所述多个差分光学编码器共享半导体基板的至少一层。
30.一种用于制造光子处理器的方法，所述方法包括：
获取半导体基板；
在所述半导体基板上形成：
多个差分光学编码器，所述多个差分光学编码器包括第一差分光学编码器和第二差分光学编码器；
第一组差分乘法器，所述第一组差分乘法器耦接至所述第一差分光学编码器；
第二组差分乘法器，所述第二组差分乘法器耦接至所述第二差分光学编码器；
第一接收器，所述第一接收器耦接至所述第一组差分乘法器；以及
第二接收器，所述第二接收器耦接至所述第二组差分乘法器。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，形成所述多个差分编码器包括形成多个光学调制器，每个光学调制器具有一对光输出端口。
32.根据权利要求30所述的方法，还包括在所述半导体基板上形成多个晶体管。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述多个晶体管和所述多个差分光学编码器共享所述半导体基板的至少一层。
34.一种用于执行数学运算的方法，包括：
接收输入光信号；
获取第一数值和第二数值；
通过使用所述第一数值修改所述输入光信号来生成编码光信号；
至少部分地通过以下方式生成光电流：
使用可调制检测器检测所述编码光信号，以及
基于所述第二值设置所述可调制检测器的特性；以及
使用所述光电流获取所述数学运算的结果。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述可调制检测器包括光电检测器，以及其中，基于所述第二值设置所述可调制检测器的特性包括基于所述第二值设置所述光电检测器的响应度。
36.根据权利要求34所述的方法，其中，获取所述结果包括获取所述第一数值乘以所述第二数值而得到的乘积。
37.根据权利要求34所述的方法，其中，所述可调制检测器包括控制电容器，以及其中，设置所述可调制检测器的特性包括设置施加到所述控制电容器的电压。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述控制电容器包括金属氧化物半导体电容器(MOS cap)，以及其中，设置施加到所述控制电容器的电压包括设置施加到所述MOS cap的电压。
39.根据权利要求34所述的方法，其中，设置所述可调制检测器的特性包括产生载流子雪崩。
40.根据权利要求34所述的方法，其中，生成所述编码光信号包括传送所述输入光信号通过光学调制器。
41.根据权利要求34所述的方法，其中，所述可调制检测器包括光电检测器和晶体管，以及其中，设置所述可调制检测器的特性包括设置施加到所述晶体管的电压。
42.根据权利要求34所述的方法，其中，所述可调制检测器包括光电检测器和增益级，以及其中，基于所述第二值设置所述可调制检测器的特性包括基于所述第二值设置所述增益级的电流增益。
43.一种被配置成执行数学运算的光子装置，包括：
光学编码器；
可调制检测器，所述可调制检测器耦接至所述光学编码器的输出；以及
控制器，所述控制器耦接至所述光学编码器和所述可调制检测器二者，所述控制器被配置成：
获取第一数值和第二数值，
控制所述光学编码器通过使用所述第一数值修改输入光信号来生成编码光信号，
控制所述可调制检测器响应于接收到所述编码光信号来生成光电流，其中，控制所述可调制检测器包括基于所述第二数值设置所述可调制检测器的特性，以及
使用所述光电流获取所述数学运算的结果。
44.根据权利要求43所述的光子装置，其中，所述可调制检测器包括光电检测器，以及其中，基于所述第二值设置所述可调制检测器的特性包括基于所述第二值设置所述光电检测器的响应度。
45.根据权利要求43所述的光子装置，其中，所述可调制检测器包括光吸收区和位置邻近所述光吸收区的控制电容器。
46.根据权利要求45所述的光子装置，其中，所述控制电容器包括金属氧化物半导体电容器(MOS cap)。
47.根据权利要求46所述的光子装置，其中，所述可调制检测器还包括位置邻近所述MOS cap的电子雪崩区。
48.根据权利要求43所述的光子装置，其中，所述可调制检测器包括：
第一光电检测器和第二光电检测器；
第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和所述第二晶体管二者耦接至所述第一光电检测器；以及
第三晶体管和第四晶体管，所述第三晶体管和所述第四晶体管二者耦接至所述第二光电检测器。
49.根据权利要求48所述的光子装置，其中，所述第一光电检测器耦接至所述第一晶体管和所述第二晶体管的相应源极，以及其中，所述第一晶体管和所述第三晶体管具有彼此耦接的漏极。
50.根据权利要求48所述的光子装置，其中，所述第一晶体管和所述第三晶体管布置为反相器，以及其中，所述第一光电检测器耦接至所述第一晶体管和所述第二晶体管的相应源极。
51.根据权利要求48所述的光子装置，其中，所述第一光电检测器还耦接至所述第三晶体管和所述第四晶体管，并且所述第二光电检测器还耦接至所述第一晶体管和所述第二晶体管，以及其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管具有彼此耦接的漏极和彼此耦接的源极。
52.根据权利要求43所述的光子装置，其中，所述可调制检测器包括：
第一光电检测器和第二光电检测器；
第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和所述第二晶体管二者耦接至所述第一光电检测器；以及
节点，所述节点耦接至所述第一光电检测器和所述第二光电检测器并且还耦接至所述第一晶体管和所述第二晶体管。
53.根据权利要求43所述的光子装置，其中，所述可调制检测器包括光电检测器和多个晶体管，以及其中，所述光电检测器和所述多个晶体管形成在公共半导体基板上。
54.根据权利要求43所述的光子装置，其中，所述可调制检测器包括被不同地布置的多个平衡光电检测器和多个晶体管。
55.一种光子处理器，包括：
多个差分光学编码器，所述多个差分光学编码器包括第一差分光学编码器和第二差分光学编码器；
耦接至所述第一差分光学编码器的第一对可调制检测器；
耦接至所述第二差分光学编码器的第二对可调制检测器；
耦接至所述第一对可调制检测器的第一差分接收器；以及
耦接至所述第二对可调制检测器的第二差分接收器。
56.根据权利要求55所述的光子处理器，其中，所述第一对可调制检测器中的至少一个包括光吸收区和位置邻近所述光吸收区的控制电容器。
57.根据权利要求56所述的光子处理器，其中，所述控制电容器包括金属氧化物半导体电容器(MOS cap)。
58.根据权利要求55所述的光子处理器，其中，所述第一对可调制检测器中的至少一个包括：
第一光电检测器和第二光电检测器；
第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和所述第二晶体管二者耦接至所述第一光电检测器；以及
第三晶体管和第四晶体管，所述第三晶体管和所述第四晶体管二者耦接至所述第二光电检测器。
59.根据权利要求58所述的光子处理器，其中，所述第一光电检测器耦接至所述第一晶体管和所述第二晶体管的相应源极，以及其中，所述第一晶体管和所述第三晶体管具有彼此耦接的漏极。
60.根据权利要求55所述的光子处理器，其中，所述第一对可调制检测器中的至少一个包括：
第一光电检测器和第二光电检测器；
第一晶体管和第二晶体管，所述第一晶体管和所述第二晶体管二者耦接至所述第一光电检测器；以及
节点，所述节点耦接至所述第一光电检测器和所述第二光电检测器并且还耦接至所述第一晶体管和所述第二晶体管。
61.根据权利要求55所述的光子处理器，其中，所述第一对可调制检测器中的至少一个包括光电检测器和多个晶体管，其中，所述光电检测器和所述多个晶体管形成在公共半导体基板上。
62.一种用于制造光子处理器的方法，包括：
获取半导体基板；
在所述半导体基板上形成：
多个差分光学编码器，所述多个差分光学编码器包括第一差分光学编码器和第二差分光学编码器；
耦接至所述第一差分光学编码器的第一对可调制检测器；
耦接至所述第二差分光学编码器的第二对可调制检测器；
耦接至所述第一对可调制检测器的第一差分接收器；以及
耦接至所述第二对可调制检测器的第二差分接收器。
63.根据权利要求62所述的方法，其中，形成所述多个差分编码器包括形成多个光学调制器，每个光学调制器具有一对光输出端口。
64.根据权利要求62所述的方法，其中，形成所述第一对可调制检测器包括形成多个晶体管。
65.根据权利要求64所述的方法，其中，所述多个晶体管和所述多个差分光学编码器共享所述半导体基板的至少一层。
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