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智能化硅基光學信號處理芯片

2020-01-17

隨著高速大容量光通信網絡的飛速發展,光電和電光轉換過程帶來的工作速率限制和系統功耗給光網絡節點帶來了越來越大的壓力。全光信號處理芯片在光域上進行光信息交換和信號再生,秉承了光子學高速、寬帶、低功耗、低成本和高集成度等諸多優點,成為全世界研究的熱點。人們已經實現了許多全光信號處理器,但大多數都表現出有限的可重構能力和自動配置能力。全光信號處理芯片的可編程重構能力有助于提升光子芯片的環境生存能力,提高頻譜利用效率,節省網絡資源,實現光通信網絡系統的智能化。

圖1:(a)分別用于光矩陣計算和偏振處理的專用處理器。(b)智能處理器的自配置示例。

華中科技大學武漢光電國家研究中心的張新亮教授,董建績教授和譚支鵬教授等人設計并證明了分別用于光矩陣計算和偏振處理的兩種專用智能處理器。光學矩陣計算處理器能夠完成基本的矩陣計算,包括XB=C、AB=X和AX=C,其中A、B、C為已知矩陣,X為求解參數。并首次通過該芯片用光學方法驗證了PageRank算法(一種谷歌網頁排名算法)。它提供了一種高速、低能耗的矩陣計算和PageRank算法。設計的偏振處理器可以完成多種偏振處理功能,包括偏振多輸入多輸出解擾器、偏振控制器和偏振分析儀,這些都是偏振處理的基本構件。通過使用額外的二維輸出光柵可以實現更多的功能。該課題組采用了機器學習方法對這些功能進行自配置和優化,即使系統因為環境變化引起的擾動也可以通過機器學習算法進行自動修復。這些工作表明,人工智能算法在芯片級可重構和可編程的光子計算和偏振處理器方面具有巨大的潛力。

相關研究成果分別發表在《IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics》和《Nanophotonics》雜志上。項目獲得國家重點研發項目(2018YFB2201901)、國家自然科學基金項目(61622502、61805090)、國家博士后科研基金(2017M622419)的資助。

References:

[1]H. Zhou, Y. Zhao, G. Xu, X. Wang, Z. Tan, J. Dong, and X. Zhang, "Chip-scale optical matrix computations for PageRank algorithm," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, (2019).

[2] H. Zhou, Y. Zhao, Y. Wei, F. Li, J. Dong, and X. Zhang, "All-in-one silicon photonic polarization processor," Nanophotonics, (2019).

(來源:武漢光電國家研究中心



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