光子处理器中利用光子自由度的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35§USC119(e)要求于2020年7月24日提交、代理机构案卷号为L0858.70030US00、申请号为63/056,494、发明名称为“光子处理器中利用光子自由度的系统和方法(Systems and Methods for Utilizing Photonic Degrees of Freedom in aPhotonic Processor)”的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

背景技术

深度学习、机器学习、隐变量模型、神经网络和其它基于矩阵的可微分程序用于解决包括自然语言处理和图像中对象识别的多种问题。使用深度神经网络解决这些问题通常需要很长的处理时间来执行所需的计算。在解决这些问题时，数学矩阵运算例如矩阵乘法通常是计算量最大的运算。

发明内容

本申请一些实施例涉及光子处理器。所述光子处理器包括：多路复用器，用于使用至少一个光子自由度将多个编码光信号复用为复用光信号；耦接至包含该多路复用器的光路的输出的探测器，用于基于该复用光信号或该复用光信号被解复用的部分生成第一电流；耦接至该探测器的输出的调制器，用于通过调制该第一电流来生成第二电流。

在一些实施例中，该至少一个光子自由度从波长、频率或偏振中择一。

在一些实施例中，该光子处理器还包括：多路解复用器，用于对该复用光信号进行解复用。

在一些实施例中，该多路复用器用于在光域中进行复用，该多路解复用器用于在光域中进行解复用。

在一些实施例中，该光子处理器还包括：多路解复用器，用于对该第二电流进行解复用。

在一些实施例中，该多路复用器用于在光域中进行复用，该多路解复用器用于在RF域中进行解复用。

在一些实施例中，该光子处理器为双轨光子处理器。

在一些实施例中，该光子处理器是单端的。

本申请一些实施例涉及用于执行数学运算的光子器件。所述光子器件包括：多个光学编码器；耦接至多个光学编码器的输出的多路复用器，用于使用至少一个光子自由度将来自多个光学编码器的多个编码光信号复用为复用光信号；耦接至包含多个光学编码器和该多路复用器的光路的输出的多个探测器，用于输出多个第一电流；耦接至多个探测器中的两个探测器的输出的多个调制器；以及耦接至多个光学编码器和多个调制器的控制器。控制器用于：获得多个第一数值和多个第二数值；通过使用多个第一数值修改多个输入光信号来控制多个光学编码器生成多个编码光信号；控制多个调制器基于多个第一电流生成多个第二电流，其中，控制多个调制器包括基于多个第二数值设置多个调制器的特性；以及，使用多个第二电流获得该数学运算的结果。

在一些实施例中，该至少一个光子自由度从波长、频率或偏振中择一。

在一些实施例中，该光子器件还包括：多路解复用器，用于对该复用光信号进行解复用。

在一些实施例中，该多路复用器用于在光域中进行复用，该多路解复用器用于在光域中进行解复用。

在一些实施例中，该光子器件还包括：多路解复用器，用于对多个第二电流进行解复用。

在一些实施例中，该多路复用器用于在光域中进行复用，该多路解复用器用于在RF域中进行解复用。

在一些实施例中，该光子器件为双轨光子器件。

在一些实施例中，该光子器件是单端的。

本申请一些实施例提供了一种用于执行数学运算的方法。该方法包括：获得多个第一数值和多个第二数值；通过使用多个第一数值修改多个输入光信号来生成多个编码光信号；使用至少一个光子自由度对多个编码光信号进行复用以生成复用光信号；通过使用多个探测器检测复用光信号或复用光信号被解复用的部分来生成多个第一电流；通过基于多个第二数值设置多个调制器的特性，使用多个调制器和多个第一电流生成多个第二电流；以及，利用多个第二电流获得该数学运算的结果。

在一些实施例中，使用至少一个光子自由度进行复用包括：使用从波长、频率或偏振中选择的至少一个进行复用。

在一些实施例中，该方法进一步包括：对该复用光信号进行解复用。

在一些实施例中，该方法进一步包括：对多个第二电流进行解复用。

附图说明

本申请的多个方面和实施例将参考以下附图描述。应当理解，这些附图不一定按照比例绘制。在以下附图中，用相似的数字表示多个附图中示出的各个相同或几乎相同的部件。清楚起见，可能并非每幅图中的每个组件都被标记。

图1是根据本申请所述技术的一些实施例的双轨光乘法器的框图。

图2是根据本申请所述技术的一些实施例的矩阵向量乘法的表示。

图3是根据一些实施例的根据2×2构型布置的光子处理器的框图。

图4是根据本申请所述技术的一些实施例的根据4×4构型布置的光子处理器的框图。

图5是根据本申请所述技术的一些实施例的根据4×4构型布置并且包括偏振复用的光子处理器的框图。

图6A是根据本申请所述技术的一些实施例的根据4×4构型布置并且包括波长复用的光子处理器的框图。

图6B是根据本申请所述技术的一些实施例的包括波长复用的单端光子处理器的框图。

图6C是根据本申请所述技术的一些实施例的根据4×4构型布置并且包括可调制探测器和波长复用的光子处理器的框图。

图7A和7B是根据本申请所述技术的一些实施例的被布置为执行4×3矩阵X和4×4矩阵M的矩阵乘法的、包括光域频率复用和模拟RF域频率解复用的光子处理器的框图。

图8A是根据本申请所述技术的一些实施例的复用光信号的、包含本振(LO)光频率的多个单光频率的示例图。

图8B是根据本申请所述技术的一些实施例的图8A中各个单光频率被编码在多路复用模拟RF信号的场幅度中的曲线图。

图9是根据本申请所述技术的一些实施例的用于在模拟RF域中执行双轨解复用的电路示例的框图。

图10是根据本申请所述技术的一些实施例的用于在模拟RF域中执行单端解复用的电路示例的框图。

图11A是根据本申请所述技术的一些实施例的复用光信号的、不包含本振(LO)光频率的多个单光频率的示例图。

图11B是根据本申请所述技术的一些实施例的图11A中各个单光频率被编码在多路复用模拟RF信号的场幅度中的曲线图。

图12是根据本申请所述技术的一些实施例的、包括使用一个或多个光子自由度进行多路复用的使用光子处理器执行乘法运算的方法的流程图。

具体实施方式

一、概述

传统电子处理器面临严重的速度、功率和效率限制，其主要原因在于电子互连固有的阻抗。连接多个处理器内核和/或将处理器内核连接到存储器涉及使用导电线路。大阻抗限制了在误码率可忽略不计的条件下导电迹线传输数据的最大速率。对于需要数十亿次运算的处理，这些延迟会导致性能显著下降。除了电路速度效率低下，电路阻抗引起的能量耗散所产生的热量也是发展电子处理器的障碍。

本申请发明人认识到并理解，使用光信号(而非电信号或光信号与电信号相结合)克服了电子计算的上述问题。光信号在光传播的介质中以光速前进。因此，与电传播的延迟相比，光信号受到的迟滞限制要小得多。此外，增加光信号传播的距离不会耗散任何能量，其为电信号所不可使用的新拓扑和新处理器布局创造了可能性。因此，光子处理器提供了比传统电子处理器更好的速度和效率性能。

本申请发明人认识到并理解，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(例如支持向量机、人工神经网络和概率图形模型学习)严重依赖多维数组/张量的线性变换。矩阵-向量乘法是最简单的线性变换，其使用常规算法的复杂度量级为O(N

通用矩阵-矩阵(general matrix-matrix，GEMM)运算在软件算法中无处不在，包括用于图形处理、人工智能、神经网络和深度学习的算法。当前计算机中的GEMM计算通常由基于晶体管的系统执行，例如GPU系统或脉动阵列系统。由于光信号能够在半导体基板内以最小损耗传播，与使用电子阵列相比，使用光子阵列的矩阵向量乘法具有很高的能效。

然而，发明人也认识到并理解与提高上述光子阵列计算速度和增加其计算密度相关的许多挑战。首先，发明人认识到并理解可以通过基于至少一个光子自由度(degree offreedom，DOF)对输入矢量信号进行复用和解复用来增加光子处理器的吞吐量。光子自由度是一个用于表示光子信号的独立参数(例如偏振、波长、频率)。例如，为了复用多路输入光子矢量信号，可以根据输入信号的波长和/或偏振在光域中复用这些输入光子矢量信号。然后，可以使用多个波长和/或偏振态在光域中对复用的信号进行解复用，以增加光子处理器的吞吐量。替代性的，发明人研发了用于在模拟RF域中执行乘法运算和后续解复用的技术。

其次，发明人已经认识到并理解，在光域中执行多路复用和解复用能够提高光子处理器架构中电子组件的密度。例如，在这种光子处理器中，探测器可以更加靠近彼此放置，从而减少连接探测器的导线的电容。由于导线电容限制了光子处理器的输出带宽，上述电容的减少十分重要。

再次，发明人已经认识到并理解，通过在光域中执行复用并在模拟RF域中执行解复用，可同时对多个输入向量执行并行矩阵乘法。对于使用N个不同波长编码N个不同输入向量的光子处理器，可以同时执行N个矩阵向量乘法而无需任何额外的光子调制器或可调制的光电探测器。因此，本申请所述的技术可以在不增加所需光子和电子组件的数量、或不增加光子处理器消耗功率的情况下，将光子处理器的吞吐量增加N倍。

发明人据此研发了用于执行矩阵-矩阵乘法运算(包括作为GEMM运算核心的矩阵-向量乘法)的新型高吞吐量光子处理架构。根据本申请的一方面，此处所述的架构执行复用(例如，在光域中执行复用)和解复用(例如，在光域或模拟RF域中执行解复用)以通过高度并行的方式执行光处理。在一些实施例中，光子处理器包括多个光学编码器和多路复用器，多个光学编码器用于基于多个第一数值(例如，多个矢量值x)生成多个编码光信号，多路复用器用于使用至少一个光学自由度(DOF，例如波长、频率、偏振等)将来自多个光学编码器的多个编码光信号复用为复用光信号。光子处理器还包括耦接到包含多个光学编码器和多路复用器的光路的输出的多个探测器(例如，使得多个探测器从光路接收复用光信号或复用光信号被解复用的部分)。多个探测器用于通过多个调制器将接收到的光信号转换成被多个调制器接收的第一电流(例如，光电流)，这些多个调制器用于基于多个第二数值(例如，矩阵值M)和从多个探测器接收到的多个第一电流来输出多个第二电流。

在一些实施例中，光子处理器可还包括耦接到多个光学编码器和多个调制器的控制器。控制器用于获取第一数值和第二数值，并基于第一数值和第二数值控制多个光学编码器和多个调制器分别生成多个编码光学信号和多个第二电流。例如，通过控制多个光学编码器使用多个第一数值修改多个输入光学信号，控制器控制多个光学编码器生成多个编码光学信号。通过基于多个第二数值设置多个调制器的特性，控制器还控制多个调制器产生多个第二电流。据此，控制器可以使用多个调制器输出的多个第二电流(例如，通过执行求和、求差、乘法或本文所述的其它计算)来获取数学运算(例如，矩阵-矩阵乘法、矩阵-向量乘法)的结果。

在一些实施例中，光子处理器还包括用于对复用光信号进行解复用的多路解复用器。在这些实施例中，多路复用器用于在光域中进行复用，多路解复用器用于在光域中进行解复用。或者，在一些实施例中，光子处理器包括用于对第二电流进行解复用的解复用器。在这些实施例中，多路复用器用于在光域中进行复用，多路解复用器用于在模拟RF域进行解复用。

在一些实施例中，光子处理器是用于将数据编码成单端光信号的单端光子处理器。在一些实施例中，光子处理器是用于通过差分方式处理光信号的双轨光子处理器。在这些实施例中，数据被编码成一对光信号之间的差(例如，光信号的幅度或功率之间的差)。

以下对用于实现高功率、单模光输出的光学芯片和/或封装相关的各种概念及其实施例的更详细的描述。应当理解，可以通过多种方式中的任何方式来实现本申请描述的各个方面。此处仅出于说明目的提供具体实施方式的示例。此外，以下实施例中描述的各个方面可以单独使用或者以任意组合使用，且不限于这里明确描述的组合。

二、使用光子电路执行数学运算

图1是根据本申请所述技术的一些实施例的双轨光乘法器的框图。该光乘法器包括光源10、差分光编码器12、差分光乘法器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和数值单元18。

数值单元18产生一对标量数值：x和m。在本申请中，数值m也称为“权重”或“权重参数”，数值x也称为“输入数据”、“输入值”或“输入参数”。这些数值可以基于控制器接收的数据产生，包括从控制器17内部的存储器获得的数据和/或另一个计算系统提供给控制器17的数据。这些数值可被表示为任何数字形式，包括定点形式或浮点形式。第一数模转换器19将数值x转换为表示x的电信号。在本例中，该数模转换器产生电压V

光源10可以使用相干光源例如激光来实现。或者，光源10可以使用非相干光源来实现，例如发光二极管、放大自发辐射源或具有较大线宽的受激发射源。此处术语“相干性”和“相干的”是指时间相干性。光源10产生的光功率用“P

差分光编码器12接收电压V

如上所述，P

应该理解，虽然图1描绘了一种用于表示待乘数值的信号为电压(V

差分光乘法器14接收差分光编码器12产生的光信号，并根据电压V

差分光学乘法器14可以使用任何合适的光子器件来实现，包括任何合适的光学干涉仪，例如可调定向耦合器或Mach-Zehnder干涉仪。

差分接收器16检测光信号，并产生等于乘积x×m的作为数值y作为相应。为了执行此运算，作为示例，接收器16可包括一对平衡光电探测器、差分跨阻抗放大器、与模数转换器，差分跨阻抗放大器用于产生与P′

图1中的双轨乘法器进行标量乘法(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-向量)乘法。一些实施例涉及用于使用上述双轨光乘法器执行矩阵-矩阵(例如，矩阵向量)乘法的光子处理器。这些光子处理器用于将矩阵M乘以向量X以产生向量Y。矩阵M在本申请中也称为“权重矩阵”，向量X在本申请中也称为“输入向量”，向量Y也称为本申请中也称为“输出向量”。图2示出了这种乘法的示例。在此示例中，M是N×N矩阵，但本申请的实施例不限于方形矩阵或任何特定维度的矩阵。

根据一些实施例，图3中绘出了双轨光子处理器的示例。在此实施方式中，光子处理器用于将2×2矩阵(M)乘以2×1输入向量(X)以获得2×1输出向量(Y)。第一光源10提供具有功率P

第二差分光编码器接收代表数值x

如图3所示，组合光电探测器的输出(例如，见节点62)从而允许光电流彼此相加。接收器电路64接收由探测器60产生的光电流。接收器电路64包括差分跨阻抗放大器(或其它用于从第二输入电流中减去第一输入电流的电路)和模数转换器。上方接收器电路64输出数值y

图4示出了4×4双轨光子处理器400的示例。不同于图1至图3的示例，双轨光子处理器400用于在模拟RF域而非光域中执行乘法运算。处理器400包含四个光源10(未示出)、四个差分编码器12(将数值x

在一些实施例中，探测器60将来自差分编码器12的光信号转换成光电流。差分模拟RF调制器44包含多个模拟RF电路，用于调制从探测器60接收的两个光电流(i

取模拟域中电流信号之差，然后使用电线将所有k个电流信号μ

三、具有光域复用和解复用的光子处理器

图5是根据本申请所述技术的一些实施例的根据4×4构型布置并且包括偏振复用的光子处理器500的框图。光子处理器500包括四个光源10(未示出)，其接收的光信号可以从具有特定频率的单个光源产生。在一些实施例中，可以利用单个光源和偏振旋转器来产生输入光信号的不同偏振。光源10可以用于产生两种不同偏振(例如，TE和TM光)和两种不同波长的光。多个差分编码器12将数值x

在一些实施例中，多个偏振多路复用器53的输出被耦接到二叉分离树54。二叉分离树54中的每个波导携带两个可以通过波长或偏振进行区分的不同复用光信号。二叉分离树54包括多个3dB光分路器和多个光波导交叉，使得来自多个偏振多路复用器53的复用光信号可以被发送到多个偏振多路解复用器55。偏振多路解复用器55用于将接收到的复用光信号解复用到两个单独的波导中(例如，到两个空间模式中)。之后，每个解复用的光信号由相应的光电探测器60检测并转换成第一电流(例如，光电流)。第一电流被相应的差分模拟RF调制器44调制。多个差分模拟RF调制器44用于生成表示向量和矩阵元素的乘积的多个第二电流。然后，参考之前图4所描述的示例，电路64对第二电流进行求和并输出。

在一些实施例中，偏振多路复用器53和/或偏振多路解复用器55包括偏振旋转器、偏振分离器和/或偏振组合器。或者，在一些实施例中，可使用光子逆向设计方法来设计非谐振无源复用器和解复用器器件，从而将波长和偏振两者均用作光子自由度。

图6A是根据本申请所述技术的一些实施例的根据4×4构型布置并且包括波长复用的光子处理器600的框图。光子处理器600包括四个光源10(未示出)，用于产生两种不同波长λ

在一些实施例中，多个波长多路复用器63的输出被耦接到二叉分离树65。二叉分离树65中的每个波导承载两个可通过波长或偏振区分的不同的被复用的光信号。二叉分离树65包括多个3dB光分路器和多个光波导交叉，使得来自多个波长多路复用器63的复用光信号可以被发送到多个波长多路解复用器66。波长多路解复用器66用于将接收到的复用光信号解复用到两个单独的波导中(例如，到具有两个不同波长的两个光信号上)。之后，每个解复用的光信号由相应的光电探测器60检测并转换成第一电流(例如，光电流)。多个第一电流由相应的差分模拟RF调制器44调制。多个差分模拟RF调制器44用于生成表示向量和矩阵元素的乘积的多个第二电流。然后，参考之前图4所描述的示例，电路64对第二电流进行求和并输出。

在一些实施例中，可以将多于两个的不同波长一起复用到单个波导中。额外的或替代性的，可同时应用波长DOF和偏振DOF以增加光子处理器600的吞吐量。每个光信号都可以被视为具有由元组

在一些实施例中，波长多路复用器63和/或波长多路解复用器66包括环形谐振器。每个环形谐振器都可以被调整为与特定波长谐振，使其对该波长进行复用或解复用。在一些实施例中，波长多路复用器63和/或波长多路解复用器66可以与温度稳定电路(未显示)相关联。由于温度的轻微变化也会改变环形谐振器的谐振频率，温度稳定电路可以用于维持波长多路复用器63和/或波长多路解复用器66内的环形谐振器的温度稳定，从而使得波长多路复用器63和/或波长多路解复用器66能够可靠运行。

参考图5和图6A中示例描述的光子架构显著降低了第一和第二电流输出时通过电线行进的距离。图4中光子处理器400的带宽受限于电线的电阻和电容所确定的带宽。与光子处理器400中电线长度相比，光子处理器500和600的紧凑布置通过减少电线长度来减少电线电阻和电容，从而提高了系统的带宽。另外，由于降低的电线电阻减小了电线引入的信号损失和噪声，由光子处理器500和600产生的输出信号具有更高的信噪比(signal-to-noise ration，SNR)。在典型的基于CMOS的硅光制造工艺中，只有一层可以绘制硅，因此每个光子器件必须在2-D平面中具有其唯一坐标，此时上述优势就变得十分明显。对于未来光子制造工艺，光子器件可以相互堆叠，复用/解复用方案的优势可以通过将两个或更多个调制器或探测器依次叠放来实现。

应当理解，在光子处理器500和/或600的一些实施例中，上轨(+)信号和下轨(-)信号不需要复用到一起。或者，在一些实施例中，来自一个差分光编码器12的上轨(+)的信号可以与来自另一差分光编码器12的下轨(-)的信号一起复用。解复用操作只需要区分复用在一起的光信号的模式编号即可。此时该模式编号由元组

在一些实施例中，由于二叉分离树可能含有多个可引入损耗或串扰的光子交叉，可以使用多路复用和多路解复用来代替二叉分离树54、65。在这些实施例中，可将来自每个差分光编码器12的两个信号输出之一的偏振旋转，使得一个偏振携带信号的(+)值而另一个偏振携带信号的(-)值。如此，在一些实施例中可以对二叉分离树54、65进行简化或替换。

图6B是根据本申请所述技术的一些实施例的包括波长复用的单端光子处理器310的框图。光子处理器610是参考图6A描述的光子处理器600的单端变体。光子处理器610包括四个光源10(未示出)，其用于产生两种不同波长λ

在一些实施例中，波长多路复用器63的输出被耦接至多个波长多路解复用器66。波长多路解复用器66用于将接收到的复用光信号解复用到两个单独的波导中(例如，到具有两个不同波长的两个光信号上)。之后，每个解复用的光信号由相应的光电探测器60检测并转换成第一电流(例如，光电流)。多个第一电流由相应的模拟RF调制器614调制。多个模拟RF调制器614用于生成表示向量和矩阵元素的乘积的多个第二电流。然后，电路64对多个第二电流进行求和。

应当理解，因为本申请所述技术的方面不限于此，如同将光子处理器600修改为光子处理器610的示例，光子处理器500、620和700可以类似地适用于单端架构。

图6C是根据本申请所述技术的一些实施例的根据4×4构型布置并且包括可调制探测器和波长复用的光子处理器的框图。光子处理器620包括四个光源10(未示出)，用于产生两种不同波长λ

在一些实施例中，波长多路复用器63的输出被耦接至二叉分离树65，之后来自波长多路复用器63的复用光信号可以被发送到多个波长多路解复用器65。多个波长解复用器65用于将接收到的复用光信号解复用到两个单独的波导中(例如，到具有不同波长的两个光信号上)。

在一些实施例中，随后可以通过可调制探测器624检测和调制多路解复用光信号对(例如，上轨光信号对或下轨光信号对)。可调制探测器624用于基于从多个波长多路解复用器66接收到的多个光信号来生成和输出表示向量(x)和矩阵元素(M)的乘积(y)的多个电信号(例如，电流)。然后，如之前参考图5的示例所描述的，多个输出电流通过通孔56组合并通过电路64进行求和以及输出。

在一些实施例中，可调制探测器624是光探测器，其具有至少一个可被用户通过一个或多个电控制信号控制的特性。可调制探测器624被设计为应用该控制信号(例如，电压、电流或电荷)改变探测器的特性(例如，响应度、增益、阻抗等)。所以，可调制探测器624输出的光电流不仅取决于接收到的光信号，还取决于施加到探测器的控制信号。2020年11月23日提交的、公开号2021/0157878、名称为“线性光子处理器和相关方法”的美国专利申请描述了可调制探测器的其它方面，其全部内容通过引用结合在本申请中。

应当理解，由于本申请所述技术不限于此，如光子处理器620的示例中对光子处理器600所进行的改造，光子处理器500、610和700可类似地被改造以包括可调制探测器624。

四、具有模拟射频域解复用的光子处理器

图7A和7B是根据本申请所述技术的一些实施例的被布置为执行4×3矩阵X和4×4矩阵M的矩阵乘法的光子处理器的框图。光子处理器700包括光域频率复用和模拟RF域频率解复用。光子处理器700包括十二个光源10(未示出)，用于将两种或更多种不同频率的光输入到光子处理器700。在一些实施例中，输入光可以使用三个光源产生，每个光源具有不同的频率。在图7A和7B的示例中示出了三种不同频率ω

由多个差分光编码器12输出的多个编码光信号由频率多路复用器73复用到单个波导中。图8A示出了由频率多路复用器73输出的多频复用光信号的示例，包括单光频率ω

将来自本振荡(LO)的额外光信号与来自多个差分光编码器12的多个编码光信号进行复用，以实现随后在模拟RF域中的解复用。来自LO的光学信号的频率不同于来自多个差分光编码器12的多个编码光信号的频率。因此，在多个差分光编码器12的第k列的输出的上(+)波导中出现的总电场为：

E

其中，假设N个不同的光信号频率{ω

假设上波导和下波导中的LO在幅度、频率和/或相位上相同。虽然该假设简化了以上表达式，但实际上这个假设并非必要，因为：(1)差分模拟RF调制器44可以对每个臂中接收到的LO的幅度进行归一化；(2)LO和实际信号E

在多个探测器60处存在总共N+1个具有不同频率的光信号，其中额外的那个信号来自LO。因此，由多个上轨(+)探测器60产生的光电流为：

上式是在对快速光频率项进行积分平均后得到的。在上面的等式中，有四项影响电流。第一项是多个光信号的单独功率，第二项是LO的单独功率。第三项是不同光信号之间的交叉项，每个特定交叉项的拍频为(ω

上轨(+)和下轨(-)探测器60各自将相应的电流信号传递到差分模拟RF调制器44。差分模拟RF调制器44用于调制这两个光电流以产生第二电流信号，μ

下部(-)电输出的第二电流信号μ

然后，输出的多个第二电流信号在模拟RF域中由模拟频率多路解复用器75进行解复用，以获得矩阵元素M

图9示出了用于使用中频(intermediate frequency，IF)混频对双轨信号来执行模拟频率解复用器75的解复用操作的电路示例。与光子处理器700的双轨信号相同，对于多轨信号，可以通过在每个轨中使用相同的电路来并行完成解复用操作。图10示出了使用IF混频并针对单轨信号在模拟RF域中执行解复用操作的电路示例。对于图10的单端示例，多个光编码器和多个探测器之间只有一个连接点，并且没有上(+)波导和下(-)波导。

图9和图10中示例的电路包含用于向从差分模拟RF调制器44接收的电流信号中引入纯频率成分(ω

在下部(-)电子信号输出端进行同样的解复用操作，以得到一个幅度与μ

为了对不同k值的M

发明人已经认识到，参考图7A和图7B的示例所描述的光子处理器700的设计能够实现高度可并行化的线性光子处理器。特别地，光子处理器700允许多个输入向量同时相乘。虽然光子处理器700的设计确实需要更多的差分光编码器12和额外的复用和解复用电路，且这些差分光编码器12和电路的规模与输入矢量的大小成正比，但是，该设计无需任何额外的差分模拟RF调制器44，差分模拟RF调制器44的数量与输入矩阵M的大小成正比。

复用多路多频信号使其在单个波导中传播的另一个设计上的好处是，只要二叉分离树中的波导、交叉和分路器组件在密切相关的波长和/或频率带宽内不发生弥散，所有不同波长的光信号都会自动保持相位稳定。从每个光子调制器到每个光电探测器，所有频率分量都通过相同的光路。因此，由于热不稳定或其它环境效应引发的、影响二叉分离树74相位稳定性的任何变化会对每个频率信号同等地施加相同的相移。由于信号被编码在LO和每个光信号之间的干涉中，不同波长之间的相位稳定性很重要，。

应当理解，在一些实施例中，可以在多个探测器60和多个差分模拟RF调制器44之间执行解复用。在这些实施例中，将无法享受同时将相同的矩阵元素调制应用于所有信号所带来的益处，但是如参考图5和图6A的示例所描述的，这样可以实现更紧凑的电路布置，其能够增加系统的SNR或带宽。

或者，应当理解，在一些实施例中，可以对差分模拟RF调制器44的每个单独的输出执行解复用。在这些实施例中，额外的解复用电路能够在对来自多个探测器60的k列的贡献进行求和之前对输出的多个第二电流信号进行解复用。

还应当理解，在一些实施例中无需提供专用的LO。在这些实施例中，输入光信号可以被编码在两个电场之间的交叉振幅乘积中(例如，对i＝1,…,N有x

还应当理解，光子处理器500和600的架构与应用光子处理器700的架构并不矛盾。可以合理地使用偏振DOF来执行全光复用/解复用，然后使用波长DOF在模拟RF域中执行解复用，反之亦然。或者，可以设计一种光子处理器，其中一些波长如光子处理器500和600中那样在光域中被解复用，一些波长在光子处理器700中那样在模拟RF域中被解复用。

应当理解，虽然简单起见光子处理器500、600，610、620和700被示意为适用4×4矩阵的布局，但是通常光子处理器可以布置为适合任意N×N矩阵。例如，在一些实施例中，光子处理器可以布置为适合64×64矩阵、128×128矩阵和/或256×256矩阵。

应当理解，光子处理器500、600和700虽然被示意为双轨光子处理器，但其也可以被实现为如本申请参考光子处理器610所描述的单端光子处理器。

图12是根据本申请所述技术的一些实施例的用于利用光子处理器(例如，光子处理器500、600和/或700)执行乘法运算的方法1200的流程图，包括使用一个或多个光子DOF的进行复用。方法1200可以使用任何合适的光子处理器来执行，包括结合本申请图5、6A、6B、6C、7A、7B所描述的光子处理器500、600、610、620和700，或其任何合适的变体。

方法1200从操作1202开始，其中光子处理器获得多个第一数值和多个第二数值。参考图1中的架构示例，在动作1202，数值单元18基于存储在控制器17的存储器中的数据和/或从另一计算系统存获得的数据生成多个第一数值(例如，向量值x)和多个第二数值(例如，矩阵值M)。这些数值不需要同时获取。这些数值可以表示任何类型的信息，例如文本、音频、视频、图像等。数值可以是实数或复数，可以是正值也可以是负值。

此后，方法1200进行到动作1204，其中通过使用多个第一数值修改多个输入光信号来生成多个编码光信号。参考图7A和7B的架构示例，差分光编码器12通过基于接收到的第一数值x调制多个输入光学信号(例如，具有频率ω

在执行动作1204之后，方法1200进行到动作1206。在动作1206，使用至少一个光子DOF对多个编码光信号进行复用，以生成复用光信号。例如，多个编码光信号可基于其偏振(例如，如结合光子处理器500所描述的)、其波长(例如，如结合光子处理器600所描述的)和/或其频率(例如，如结合光子处理器700所描述的)。

然后，在动作1208中，复用光信号通过多个单波导和/或二叉分离树(例如二叉分离树54、65、74)传输到多个探测器(例如，探测器60)。在动作1208，多个探测器通过检测接收到的光信号并将其转换成电流(例如，光电流)来生成多个第一电流。在一些实施例中，多个探测器60接收并转换来自光子处理器的多路复用器(例如，多路复用器73)的复用光信号。在一些实施例中，多个探测器60接收并转换来自多路解复用器(例如，多路解复用器55、66)的、复用光信号被解复用的部分。

在动作1208中生成多个第一电流之后，方法1200进行到动作1210。在动作1210中，生成多个第二电流信号，例如，由差分模拟RF调制器44生成。在一些实施例中，差分模拟RF调制器44通过使用多个第二数值M调制多个第一电流信号来生成一对第二电流信号。在一些实施例中(例如，单端实施例)，相应的模拟RF调制器可使用第二数值M调制接收的单个第一电流信号。

然后，方法1200进行到动作1212，其中使用由差分模拟RF调制器44生成的多个第二电流信号获得数学运算的结果。在一些实施例中，动作1212包括：接收一个或多个第二电流信号(例如，使用跨阻放大器以获得输出电压)并使用模数转换器转换输出信号以获得表示结果的数值(例如，第一数值x和第二数值M的乘积)。

至此已描述了本技术中至少一个实施例的几个方面，应当理解，本领域技术人员会轻易想到各种改变、修正和改进。

本申请描述的技术的各个方面可以单独使用、组合使用或以多种在前述实施例中未详述的布置方式使用，因此其应用不限于在本申请中阐述的或附图展示的部分的细节和布置方式。例如，实施例中描述的方面可以通过任何方式与其它实施例中描述的方面组合。

此外，此处描述的技术可以体现为一种方法，本申请提供其示例，包括参考图5的示例。作为方法的一部分所执行的多个动作可以通过任何合适的方式进行排序。因此，可以构建以不同于图示顺序来执行多个动作的实施例，包括同时执行一些动作、甚至同时执行一些在示例性实施例中被描述为顺序执行的动作。

本申请所定义和使用的所有定义应被理解并控制以下范围：字典定义、通过引用并入的文件中的定义和/或所定义术语的普通含义。

除非有相反的明确指示，在说明书和权利要求书中使用的数量“一”和“一个”应理解为“至少一个”。

在本申请的说明书和权利要求书中所使用的词语“和/或”应当被理解为：意指被其结合的要素的“其中之一或两者”，即，在一些情况下这些要素联合存在、在其它情况下这些要素分离出现.

如本申请在说明书和权利要求书中所使用的、涉及列举一种或多种要素的短语“至少一个”应被理解为是指：从以下所列要素中的任何一种或多种元素中选择的至少一种要素，无需包括所列要素中具体列出的每个要素的至少一个，且不排除所列要素中要素的任何组合。以上定义还允许可选的存在除短语“至少一个”所指的要素列表中具体指明的要素之外的要素，无论其是否与具体指明的那些要素相关。

术语“约为”和“大约”在一些实施例中可用于表示目标值的±20％以内，在一些实施例中表示目标值的±10％以内，在一些实施例中表示目标值的±5％以内，同时在一些实施例中表示处于目标值的±2％以内。术语“约为”和“大约”可以包括该目标值。