TWI858188B - 線性光子處理器及相關的方法 - Google Patents

Abstract

描述了光子處理器。本文中所述的光子處理器被配置為執行矩陣-矩陣（例如矩陣-向量）乘法。一些實施例與依據雙軌架構來佈置的光子處理器相關，其中將數值編碼在一對光學訊號之間的差異（例如光學訊號的功率之間的差異）中。相對於其他的架構，這些光子處理器展現出增加的對雜訊的免疫力。一些實施例與包括基於可調變偵測器的乘法器的光子處理器相關。可調變偵測器是設計為使得可以依據電氣控制訊號來調變光電流的偵測器。與其他類型的光子處理器相比，使用基於可調變偵測器的乘法器來設計的光子處理器明顯更緊湊。

Description

線性光子處理器及相關的方法

此申請案依據專利法主張於2019年11月22日所提出的第62/939,480號標題為「SYSTEMS AND METHODS FOR ANALOG COMPUTING」的美國臨時專利申請案（代理人案號為L0858.70016US01）的權益，該文獻的整體內容特此以引用方式併入本文中。

此申請案依據專利法主張於2020年1月17日所提出的第62/962,759號標題為「MODULATABLE DETECTOR-BASED MULTIPLIERS」的美國臨時專利申請案（代理人案號為L0858.70023US00）的權益，該文獻的整體內容特此以引用方式併入本文中。

此申請案依據專利法主張於2020年1月20日所提出的第62/963,315號標題為「DUAL-RAIL PHOTONIC MULTIPLIER SYSTEM WITH APPLICATIONS TO LINEAR PHOTONIC PROCESSOR」的美國臨時專利申請案（代理人案號為L0858.70022US00）的權益，該文獻的整體內容特此以引用方式併入本文中。

此申請案依據專利法主張於2020年2月5日所提出的第62/970,360號標題為「MODULATABLE DETECTORS」的美國臨時專利申請案（代理人案號為L0858.70026US00）的權益，其整體內容特此以引用方式併入本文中。

此申請案依據專利法主張於2020年2月18日所提出的第62/978,181號標題為「MODULATABLE DETECTORS」的美國臨時專利申請案（代理人案號為L0858.70026US01）的權益，其整體內容特此以引用方式併入本文中。

此申請案與設計為執行數學運算的線性光子處理器及相關的方法相關。

深度學習、機器學習、潛在變數模型、神經網路、及其他基於矩陣的可微程式用來解決各種問題，包括自然語言處理及影像中的物體辨識。用深度神經網路解決這些問題一般需要很長的處理時間來執行所需的計算。解決這些問題時計算量最大的運算通常是數學矩陣運算，例如矩陣乘法。

一些實施例與一種執行數學運算的方法相關，該方法包括以下步驟：接收輸入光學訊號；獲得第一數值及第二數值；藉由使用該第一數值修改該輸入光學訊號，來產生第一編碼的光學訊號及第二編碼的光學訊號；使用該第二數值以及該第一編碼的光學訊號及該第二編碼的光學訊號，來產生第一編碼的輸出訊號及第二編碼的輸出訊號；及使用該第一編碼的輸出訊號及該第二編碼的輸出訊號，來獲得該數學運算的結果。

在一些實施例中，該第一編碼的輸出訊號及該第二編碼的輸出訊號是光學訊號。

在一些實施例中，該第一編碼的輸出訊號與該第二編碼的輸出訊號之間的差異與該第一編碼的光學訊號與該第二編碼的光學訊號之間的差異成比例。

在一些實施例中，該第一編碼的輸出訊號與該第二編碼的輸出訊號之間的該差異與該第二數值成比例。

在一些實施例中，該第一編碼的光學訊號與該第二編碼的光學訊號之間的該差異與該第一數值成比例。

在一些實施例中，該第一編碼的光學訊號及該第二編碼的光學訊號彼此正交。

在一些實施例中，該第一編碼的光學訊號及該第二編碼的光學訊號的相應的相位是不相關的。

在一些實施例中，該第一編碼的光學訊號及該第二編碼的光學訊號具有不同的載波頻率。

在一些實施例中，該第一編碼的光學訊號及該第二編碼的光學訊號具有恆定的正交相位差。

在一些實施例中，其中接收該輸入光學訊號包括以下步驟：從不相干光源接收該輸入光學訊號。

在一些實施例中，該第一編碼的光學訊號及該第二編碼的光學訊號具有正交的偏振。

在一些實施例中，該第一編碼的光學訊號及該第二編碼的光學訊號在時間上不重疊。

在一些實施例中，產生該第一編碼的光學訊號及該第二編碼的光學訊號包括以下步驟：將該輸入光學訊號傳遞通過光學調變器。

在一些實施例中，產生該第一編碼的光學訊號及該第二編碼的光學訊號包括以下步驟：基於該第一數值來設定該光學調變器的特性。

在一些實施例中，獲得該結果包括以下步驟：從該第二編碼的輸出訊號減去該第一編碼的輸出訊號，或從該第一編碼的輸出訊號減去該第二編碼的輸出訊號。

在一些實施例中，產生該第一編碼的輸出訊號及該第二編碼的輸出訊號包括以下步驟：使用一或更多個可調變偵測器來偵測該第一編碼的光學訊號及該第二編碼的光學訊號。

在一些實施例中，產生該第一編碼的輸出訊號及該第二編碼的輸出訊號包括以下步驟：基於該第二數值來設定該一或更多個可調變偵測器的特性。

在一些實施例中，該第一編碼的光學訊號及該第二編碼的光學訊號被約束在不同的光學波導器內。

在一些實施例中，獲得該結果包括以下步驟：獲得該第一數值乘以該第二數值的乘積。

一些實施例與一種光子處理器相關，該光子處理器包括：複數個差分光學編碼器，包括第一差分光學編碼器及第二差分光學編碼器；第一組差分乘法器，耦合到該第一差分光學編碼器；第二組差分乘法器，耦合到該第二差分光學編碼器；第一接收器，耦合到該第一組差分乘法器；及第二接收器，耦合到該第二組差分乘法器。

在一些實施例中，該複數個差分編碼器中的至少一者包括具有一對光學輸出端口的光學調變器。

在一些實施例中，該第一組差分乘法器及該第二差分乘法器中的至少一個差分乘法器包括具有一對光學輸出端口的光學調變器。

在一些實施例中，該第一組差分乘法器及該第二組差分乘法器包括可調變偵測器。

在一些實施例中，該光子處理器進一步包括：光學正交化單元，安置在該第一差分光學編碼器與該第一組差分乘法器之間。

在一些實施例中，該光學正交化單元包括蛇形光學波導器。

在一些實施例中，該光學正交化單元包括光學偏振旋轉器。

在一些實施例中，該光子處理器進一步包括：光源，及分光器樹，該分光器樹將該光源耦合到該第一組差分乘法器。

在一些實施例中，該分光器樹缺乏波導器交叉。

在一些實施例中，該光子處理器進一步包括：控制器，被配置為控制該複數個差分光學編碼器，其中該控制器包括複數個電晶體，且其中該複數個電晶體及該複數個差分光學編碼器共用半導體基板的至少一個層。

一些實施例與一種用於製造光子處理器的方法相關，該方法包括以下步驟：獲得半導體基板；在該半導體基板上形成：複數個差分光學編碼器，包括第一差分光學編碼器及第二差分光學編碼器；第一組差分乘法器，耦合到該第一差分光學編碼器；第二組差分乘法器，耦合到該第二差分光學編碼器；第一接收器，耦合到該第一組差分乘法器；及第二接收器，耦合到該第二組差分乘法器。

在一些實施例中，形成該複數個差分編碼器包括以下步驟：形成複數個光學調變器，每個光學調變器均具有一對光學輸出端口。

在一些實施例中，該方法進一步包括以下步驟：在該半導體基板上形成複數個電晶體。

在一些實施例中，該複數個電晶體及該複數個差分光學編碼器共用該半導體基板的至少一個層。

一些實施例與一種執行數學運算的方法相關，該方法包括以下步驟：接收輸入光學訊號；獲得第一數值及第二數值；藉由使用該第一數值修改該輸入光學訊號，來產生編碼的光學訊號；至少部分地藉由以下步驟來產生光電流：使用可調變偵測器來偵測該編碼的光學訊號，及基於該第二值來設定該可調變偵測器的特性；及使用該光電流來獲得該數學運算的結果。

在一些實施例中，該可調變偵測器包括光電偵測器，且其中基於該第二值來設定該可調變偵測器的該特性包括以下步驟：基於該第二值來設定該光電偵測器的響應率。

在一些實施例中，獲得該結果包括以下步驟：獲得該第一數值乘以該第二數值的乘積。

在一些實施例中，該可調變偵測器包括控制電容器，且其中設定該可調變偵測器的該特性包括以下步驟：設定向該控制電容器施加的電壓。

在一些實施例中，該控制電容器包括金屬氧化物半導體電容器（MOS電容器），且其中設定向該控制電容器施加的該電壓包括以下步驟：設定向該MOS電容器施加的該電壓。

在一些實施例中，設定該可調變偵測器的該特性包括以下步驟：產生載流子崩潰。

在一些實施例中，產生該編碼的光學訊號包括以下步驟：將該輸入光學訊號傳遞通過光學調變器。

在一些實施例中，該可調變偵測器包括光電偵測器及電晶體，且其中設定該可調變偵測器的該特性包括以下步驟：設定向該電晶體施加的電壓。

在一些實施例中，該可調變偵測器包括光電偵測器及增益級，且其中基於該第二值來設定該可調變偵測器的該特性包括以下步驟：基於該第二值來設定該增益級的電流增益。

一些實施例與一種配置為執行數學運算的光子設備相關，該光子設備包括：光學編碼器；可調變偵測器，耦合到該光學編碼器的輸出；及控制器，耦合到該光學編碼器及該可調變偵測器，該控制器被配置為：獲得第一數值及第二數值；控制該光學編碼器藉由使用該第一數值修改輸入光學訊號來產生編碼的光學訊號；控制該可調變偵測器響應於接收到該編碼的光學訊號而產生光電流，其中控制該可調變偵測器包括以下步驟：基於該第二數值來設定該可調變偵測器的特性；及使用該光電流來獲得該數學運算的結果。

在一些實施例中，該可調變偵測器包括光電偵測器，且其中基於該第二值來設定該可調變偵測器的該特性包括以下步驟：基於該第二值來設定該光電偵測器的響應率。

在一些實施例中，該可調變偵測器包括光吸收區域及定位在該光吸收區域附近的控制電容器。

在一些實施例中，該控制電容器包括金屬氧化物半導體電容器（MOS電容器）。

在一些實施例中，該可調變偵測器進一步包括定位在該MOS電容器附近的電子崩潰區域。

在一些實施例中，該可調變偵測器包括：第一光電偵測器及第二光電偵測器；第一電晶體及第二電晶體，兩者都耦合到該第一光電偵測器；及第三電晶體及第四電晶體，兩者都耦合到該第二光電偵測器。

在一些實施例中，該第一光電偵測器耦合到該第一電晶體及該第二電晶體的相應的源極，且其中該第一電晶體及該第三電晶體具有彼此耦合的汲極。

在一些實施例中，該第一電晶體及該第三電晶體被佈置為反相器，且其中該第一光電偵測器耦合到該第一電晶體及該第二電晶體的相應的源極。

在一些實施例中，該第一光電偵測器進一步耦合到該第三電晶體及該第四電晶體，而該第二光電偵測器則進一步耦合到該第一電晶體及該第二電晶體，且其中該第一電晶體及該第二電晶體具有彼此耦合的汲極及彼此耦合的源極。

在一些實施例中，該可調變偵測器包括：第一光電偵測器及第二光電偵測器；第一電晶體及第二電晶體，兩者都耦合到該第一光電偵測器；及節點，耦合到該第一光電偵測器及該第二光電偵測器，且進一步耦合到該第一電晶體及該第二電晶體。

在一些實施例中，該可調變偵測器包括光電偵測器及複數個電晶體，且其中該光電偵測器及該複數個電晶體形成於共同的半導體基板上。

在一些實施例中，該可調變偵測器包括差分地佈置的複數個平衡的光電偵測器及複數個電晶體。

一些實施例與一種光子處理器相關，該光子處理器包括：複數個差分光學編碼器，包括第一差分光學編碼器及第二差分光學編碼器；第一對可調變偵測器，耦合到該第一差分光學編碼器；  第二對可調變偵測器，耦合到該第二差分光學編碼器；第一差分接收器，耦合到該第一對可調變偵測器；及第二差分接收器，耦合到該第二對可調變偵測器。

在一些實施例中，該第一對可調變偵測器中的至少一個可調變偵測器包括光吸收區域及定位在該光吸收區域附近的控制電容器。

在一些實施例中，該控制電容器包括金屬氧化物半導體電容器（MOS電容器）。

在一些實施例中，該第一對可調變偵測器中的至少一個可調變偵測器包括：第一光電偵測器及第二光電偵測器；第一電晶體及第二電晶體，兩者都耦合到該第一光電偵測器；及第三電晶體及第四電晶體，兩者都耦合到該第二光電偵測器。

在一些實施例中，該第一光電偵測器耦合到該第一電晶體及該第二電晶體的相應的源極，且其中該第一電晶體及該第三電晶體具有彼此耦合的汲極。

在一些實施例中，該第一對可調變偵測器中的至少一個可調變偵測器包括：第一光電偵測器及第二光電偵測器；第一電晶體及第二電晶體，兩者都耦合到該第一光電偵測器；及節點，耦合到該第一光電偵測器及該第二光電偵測器，且進一步耦合到該第一電晶體及該第二電晶體。

在一些實施例中，該第一對可調變偵測器中的至少一個可調變偵測器包括光電偵測器及複數個電晶體，其中該光電偵測器及該複數個電晶體形成於共同的半導體基板上。

一些實施例與一種用於製造光子處理器的方法相關，該方法包括以下步驟：獲得半導體基板；在該半導體基板上形成：複數個差分光學編碼器，包括第一差分光學編碼器及第二差分光學編碼器；第一對可調變偵測器，耦合到該第一差分光學編碼器；第二對可調變偵測器，耦合到該第二差分光學編碼器；第一差分接收器，耦合到該第一對可調變偵測器；及第二差分接收器，耦合到該第二對可調變偵測器。

在一些實施例中，形成該複數個差分編碼器包括以下步驟：形成複數個光學調變器，每個光學調變器均具有一對光學輸出端口。

在一些實施例中，形成該第一對可調變偵測器包括以下步驟：形成複數個電晶體。

在一些實施例中，該複數個電晶體及該複數個差分光學編碼器共用該半導體基板的至少一個層。

I.概述

習用的電子處理器主要在電子互連結構中的阻抗的固有存在的方面面臨著嚴重的速度及效率限制。連接多個處理器核心及/或將處理器核心連接到記憶體涉及使用導電跡線。大的阻抗值限制了可以用可以忽視的位元錯誤率將資料傳輸通過跡線的最大速率。對於需要數十億次運算的處理而言，這些延遲可能導致顯著的效能損失。除了電路的速度低效以外，由電路的阻抗所造成的能量的耗散所產生的熱也是一個開發電子處理器的障礙。

發明人已經認識及理解到，替代於電訊號或與電訊號組合使用光學訊號會克服電子計算的上述問題。光學訊號在內部有光行進的介質中用光速行進。因此，光學訊號的延遲遠小於電氣傳播延遲的限制。此外，不會由於增加光訊號行進的距離而消耗電力，從而開闢了在使用電訊號的情況下會是不可行的新的拓撲結構及處理器佈局。因此，與習用的電子處理器相比，光子處理器提供了好得多的速度及效率效能。

發明人已經認識及理解到，光子處理器非常適於特定類型的演算法。例如，許多機器學習演算法（例如支援向量機、人工神經網路、及機率圖形模型學習）很大地依賴線性變換或多維陣列/張量。最簡單的線性變換是矩陣-向量乘法，其在使用習用演算法的情況下具有的數量級的複雜度，其中是與相同維度的向量相乘的方形矩陣的維數。發明人已經認識及理解到，藉由將特定一組輸入光學訊號傳播通過有源光學元件的可配置陣列，光子處理器可以用高度並行的方式執行線性變換（例如矩陣乘法）。使用此類實施方式，與使用基於習用電子電路的處理的數十到數百奈秒相比，可以在數百皮秒中完成維度的矩陣-向量乘法。

通用矩陣-矩陣（GEMM）運算在軟體演算法中是無所不在的，包括用於圖形處理、人工智慧、神經網路、及深度學習的那些演算法。現今電腦中的GEMM計算一般是使用基於電晶體的系統（例如GPU系統或脈動陣列系統）來執行的。使用光子陣列的矩陣-向量乘法在與它們的電子對應物相比時可以是高度省電的，因為光學訊號可以在損耗量最小的情況下在半導體基板內傳播。

然而，發明人已經認識及理解到與使用此類光子陣列相關聯的多個挑戰。首先，例如電子電路，光子陣列容易受到雜訊的影響。雜訊由於各種機制（包括熱雜訊及散粒雜訊）而在光子陣列中引起。雜訊的存在會減少光子陣列準確地再生及處理數值的能力，因此降低它們的整體效能。

第二，光子陣列容易受到光學損耗的影響。一方面，光源可能僅產生有限的光學功率量。另一方面，光電偵測器受到散粒雜訊的限制，意味著光偵測器可以偵測到的最小光學功率限於一定的最低水平。因此，光學功率預算受到限制，且因此光學功率的每一分貝都很重要。光學損耗對功率預算有負面影響，且可能由於各種原因而引起。例如，光學損耗會由於光學調變而引起。在習用的光學系統中，會故意衰減光學功率以產生調變，因此增加了光學損耗。例如，在基於幅度的調變方案中，藉由抑制光學訊號的功率來再生邏輯0。

第三，習用的光子陣列佔據的晶片佔據空間比電子部件（例如電晶體）大得多，因此限制了可以整合在單個晶片上的處理能力。考慮例如馬赫-曾德爾干涉儀，其一般用來執行光學調變。為了提供充分的光學調變，一般將馬赫-曾德爾干涉儀設計為具有很大的長度，通常是數毫米的數量級。另一方面，電晶體（電子電路的核心部件）小了幾個數量級。

發明人已經開發出用於執行矩陣-矩陣乘法（包括矩陣-向量乘法，其是GEMM運算的核心元件）的新穎光子處理架構，該光子處理架構避免或減輕了上述挑戰。依據本揭示內容的一個態樣，本文中所述的架構涉及用差分方式處理光學訊號。將資料編碼在一對光學訊號之間的差異（例如光學訊號的幅度之間的差異或光學訊號的功率之間的差異）中，而不是如例如在數位光學通訊系統中所進行地將資料編碼到單端光學訊號中。此架構在本文中稱為「雙軌」。一個軌道承載一個光學訊號，另一個軌道承載另一個光學訊號。可以用許多方式中的任一者實施軌道，包括例如使用一對相異的光學波導器，其中每個波導器承載一個光學訊號。然而，應理解，軌道不需要是實體分離的通道。在一些實施例中，例如，兩個軌道都實施在相同的實體波導器上，且光學訊號藉由它們的偏振、波長、或其他的光學特性可彼此區別。

本文中所述的雙軌架構會減少光子處理器對雜訊的易感性。根據統計，在雜訊存在於第一軌道上時，具有實質相同的特性的雜訊也存在於第二軌道上的可能性很高。若將軌道界定在彼此緊鄰定位的光學波導器上，則尤其如此。對編碼在軌道的光學訊號之間的差異上的資料進行解碼涉及執行減法，意味著從存在於第二軌道處的訊號（包括雜訊）減去存在於第一軌道處的訊號（包括雜訊）。若存在於第一軌道處的雜訊具有與存在於第二軌道處的雜訊實質類似的特性（例如存在相對較高的相關性），則在執行減法時，整體雜訊會減少。

除了改善對雜訊的易感性以外，本文中所述的雙軌架構還會減少調變誘發的光學損耗。不同於習用的光學數位通訊系統（其中光學調變是藉由引入光學衰減來實現的），依據本架構的光學調變涉及旋轉光學向量（相位及/或偏振）。換言之，調變涉及操控存在於兩個軌道處的光學訊號的相對相位。這導致光學損耗大量減少。

依據本揭示內容的另一個態樣，本文中所述的光子架構涉及基於「可調變偵測器」來實施的乘法器。可調變偵測器是具有可以由使用者使用一或更多個電控制訊號來控制的至少一個特性的光學偵測器。這些偵測器被設計為使得施加控制訊號（例如電壓或電流）會變更偵測器的特性（例如偵測器的響應率、增益、阻抗等等）。因此，偵測器的光電流（可調變偵測器響應於光而產生的電流）不僅取決於入射於偵測器上的光學功率，也取決於向偵測器施加的控制訊號。如下文進一步詳細描述，這可以用許多方式中的任一者實現。在一個實例中，可調變偵測器被設計為包括控制電容器。控制電容器被設計為使得向其施加的電壓的改變導致可調變偵測器的響應率改變。除了其他可能的配置以外，可以使用由介電材料分離的一對電極或使用金屬氧化物半導體電容器（MOS電容器）來實施控制電容器。在另一個實例中，可調變偵測器包括光電偵測器及耦合到光電偵測器的增益級。增益級可以連接到光電偵測器，使得向增益級施加的電壓的改變產生由可調變偵測器所產生的光電流的改變。下文進一步詳細描述可控制增益級的幾個實例。

使用基於可調變偵測器的乘法器的光子陣列實質上比其他類型的光子陣列更緊湊。這是因為，可調變偵測器比傳統上用來在光域中執行乘法的光學設備（例如相移器（例如馬赫-曾德爾干涉儀）、衰減器、及放大器）緊湊得多。 II.  雙軌光學乘法器

圖1A是方塊圖，其繪示依據一些實施例基於雙軌架構來實施的光學乘法器。此種光學乘法器包括光源10、差分光學編碼器12、差分光學乘法器14、差分接收器16、及控制器17。控制器17包括一對數位到類比轉換器（D/A）19及數值單元18。

數值單元18產生一對純量數值：x及m。數值m也稱為「權重」或「權重參數」，而數值x在本文中也稱為「輸入資料」、「輸入值」、或「輸入參數」。可以基於由控制器所接收的資料（包括從控制器17內部的記憶體獲得的資料及/或從另一個計算系統向控制器17提供的資料）來產生這些數值。可以使用任何數位表示來表示這些數值，包括定點或浮點表示。第一D/A 19將數值x轉換成代表x的電訊號。在此實例中，D/A產生電壓V_x 。第二D/A 19將數值m轉換成代表m的電訊號。在此實例中，D/A產生電壓V_m 。在一些實施例中，V_x 與x成比例。在一些實施例中，V_m 與m成比例。圖1A的雙軌光學乘法器被配置為將這些數值彼此相乘，藉此產生結果 。

光源10可以使用相干光源（例如雷射）來實施。或者，光源10可以使用不相干光源（例如發光二極體）、放大的自發發射源、或具有相對較大的光譜線寬的激發發射源來實施。如本文中所使用的，用語「相干性」及「相干」指的是時間相干性。將由光源10所產生的光學功率標識為「P_in 」。

差分光學編碼器12接收電壓V_x ，且響應於此，產生一對光學訊號。標籤「P_t 」及「P_b 」分別識別這些光學訊號的光學功率。差分光學編碼器12接收電壓V_x ，且基於V_x 對從光源10所接收的光學訊號進行編碼。更具體而言，差分光學編碼器12產生一對光學訊號，使得這些光學訊號的功率之間的差異（P_t -P_b ）與x及P_in 都成比例（在圖1A中，符號「」意指「與...成比例」）。應理解，此架構之所以被稱為「雙軌」，是因為將x編碼在兩個光學訊號之間的差異（如在此實例中是訊號功率的差異，或在其他的實例中，是訊號幅度之間的差異）中。差分光學編碼器12可以使用任何合適的光學調變器來實施，包括光學干涉儀（例如可調諧定向耦合器或馬赫-曾德爾干涉儀）、諧振調變器、法蘭茲-卡爾迪西調變器（Franz-Keldysh modulator）等等。下文進一步詳細描述差分光學編碼器12的實例。

如上文所論述，P_t 標識頂部軌道處的光學訊號的功率，而P_b 標識底部軌道處的光學訊號的功率。在一些實施例中，是根據實體通道來界定軌道。在一個實例中，將頂部軌道界定在第一光學波導器中，且將底部軌道界定在與第一光學波導器實體相異的第二光學波導器中。在另一個實例中，將頂部軌道界定在第一自由空間光學通道中，且將底部軌道界定在第二自由空間光學通道中，該第二自由空間光學通道在與第一自由空間光學通道在空間上分離。然而，在其他的實施例中，頂部軌道及底部軌道可以藉由共同的實體通道來界定。換言之，由差分光學編碼器12所產生的光學訊號共用相同的光學波導器或自由空間通道。在這些實施例中，每個軌道的光學訊號均藉由某個光學特性（例如時間軸（time bin）、偏振、或波長）與另一個軌道的光學訊號可區別。在一個實例中，第一軌道處的光學訊號由光學波導器的第一偏振模式（例如光學波導器的TE₀₀ 模式）所界定，而第二軌道處的光學訊號由同一光學波導器的第二偏振模式（例如光學波導器的TE₀₁ 模式或TE₀₀ 模式）所界定。在另一個實例中，第一軌道處的光學訊號由第一波長所界定，而第二軌道處的光學訊號由第二波長所界定。

應理解，雖然圖1A描繪了表示要相乘的數值的訊號是電壓（V_x 及V_m ）的架構，但在其他的實施例中，也可以使用其他類型的電訊號（例如電流或電荷）來表示數值。

差分光學乘法器14接收由差分光學編碼器12所產生的光學訊號，並基於電壓V_m 來產生一對輸出光學訊號。輸出光學訊號的功率分別標記為「P_t ^’ 」及「P_b ^’ 」。由差分光學乘法器14所產生的光學訊號使得它們功率之間的差異（P_t ^’ - P_b ^’ ）與m及差P_t -P_b 都成比例。因此，量P_t ^{’ -} P_b ^’ 與m、x、及P_in 中的每一者均成比例。在與x及m都成比例的情況下，P_t ^{’ -} P_b ^’ 本質上是用數值x乘以數值m的乘積來編碼的。

如下文進一步詳細描述，差分光學乘法器14可以使用任何合適的光子設備來實施，包括任何合適的光學干涉儀（例如可調整定向耦合器或馬赫-曾德爾干涉儀）。

差分接收器16偵測光學訊號P_t ^’ 及P_b ^’ ，且響應於此，產生與乘積 相等的數值y。為了執行此運算，接收器16可以包括例如一對平衡的光電偵測器、配置為產生與P_t ^’ -P_b ^’ 成比例的輸出電壓的差分跨阻放大器、及配置為將輸出電壓轉換成數值y的類比到數位轉換器。

圖1B是流程圖，其繪示依據一些實施例用於執行數學運算（例如乘法）的方法。方法20可以使用任何合適的光學設備來執行，包括圖1A中所描繪的雙軌架構。方法20開始於步驟22處，其中光學設備接收輸入光學訊號。例如參照圖1A的架構，在步驟22處，差分光學編碼器12接收光學訊號P_in 。

在步驟24處，光子設備獲得第一數值及第二數值。這些是要相乘的數值。不需要同時獲得數值。例如參照圖1A的架構，在步驟24處，數值單元18基於儲存在控制器17的記憶體中的資料及/或從另一個計算系統獲得的資料來產生數值x及m。這些數值可以表示任何類型的資訊，例如文字、音訊、視訊等等。數值可以是實數或複數、正數或負數。

在步驟26處，光子設備藉由使用第一數值修改輸入光學訊號來產生一對編碼的光學訊號。在一些實施例中，將該對編碼的光學訊號編碼為使得光學訊號之間的差異（例如光學訊號的功率之間的差異或光學訊號的幅度之間的差異）與第一數值成比例。例如參照圖1A的架構，在步驟26處，差分光學編碼器12基於數值x來產生分別具有功率P_t 及P_b 的光學訊號。

在步驟28處，光子設備使用第二數值及在步驟26處所產生的該對編碼的光學訊號來產生一對編碼的輸出訊號。在一些實施例中，第一編碼的輸出訊號與第二編碼的輸出訊號之間的差異（在功率或幅度的方面）與第一編碼的輸入訊號與第二編碼的輸入訊號之間的差異（再次地是在功率或幅度的方面）成比例。在一些此類實施例中，第一編碼的輸出訊號與第二編碼的輸出訊號之間的差異與第二數值及第一數值都成比例。例如參照圖1A的架構，在步驟28處，差分光學乘法器14基於數值m及P_t-P_b來產生分別具有功率P_t ^’及P_b ^’的光學訊號。

在步驟30處，光子設備使用該對編碼的輸出訊號來獲得數學運算的結果(例如第一數值乘以第二數值的乘積)。在一些實施例中，步驟30涉及以下步驟：i)用一對平衡的光電偵測器來偵測該對編碼的輸出訊號以獲得一對光電流；ii)用差分跨阻放大器來接收光電流以獲得輸出電壓；及iii)用類比到數位轉換器轉換輸出電壓以獲得表示結果(例如乘積)的數值。例如參照圖1A的架構，在步驟30處，差分接收器16產生數值y，其等於x乘以m的乘積。

如上文所論述，差分光學乘法器14可以使用任何合適的光學設備來實施。一個此類設備是依據一些實施例的圖2A中所描繪的可調諧定向耦合器。定向耦合器包括一對輸入光學波導器，其中一個輸入光學波導器接收光學訊號P_t，而另一個輸入光學波導器接收光學訊號P_b。定向耦合器進一步包括一對輸出光學波導器，其中一個輸出光學波導器輸出光學訊號P_t，而另一個輸出光學波導器輸出光學訊號P_b。將該對輸入光學波導器與該對輸出光學波導器之間的區域標記為「A」。這是輸入光學訊號組合而產生輸出光學訊號的區域。

圖2B中更詳細地描繪區域A。在此區域中，波導器彼此靠近到足以產生漸消耦合。除了其他參數以外，波導器用以彼此耦合的耦合係數取決於波導器之間的空間距離d。波導器越靠近，耦合係數就越大。在一些實施例中，可以將定向耦合器設計為使得基於輸入訊號可調整d。這可以使用奈米光機電系統（NOEMS）技術來實現。例如，波導器可以在區域A中懸掛在空氣中，且懸掛的波導器在側向方向（波導器的與傳播軸線垂直的平面上的方向）上的位置可以用外部電壓來控制。再次參照圖1A，電壓V_m 可以控制區域A中的波導器之間的距離。

回到圖2A，字母「t」標識透射係數，而字母「k」標識交叉耦合係數（從一個波導器到另一個波導器）。係數t及k是根據幅度透射來表示的，且必須遵守關係|t|² + |k|² ≤ 1以提供能量守恒。在乘法設備無損時會實現相等。係數t及k取決於波導器之間的距離d。因此，電壓V_m 控制係數t及k。

功率P_t ^’ 等於P_t 在頂部波導器上行進的部分（等於|t|² P_t ），加上P_b 的耦合到頂部波導器的部分（等於|k|² P_b ），加上由頂部波導器處的訊號與底部波導器處的訊號的干擾所造成的截項。應理解，若輸入光場彼此相干（換言之，它們的相位相關），則干擾項非零。然而，若輸入光學訊號不互相相干，則干擾項變為零。這是因為，具有不相關的相位的互不相干的光學訊號不會彼此干擾。因此，假設訊號互不相干，頂部波導器處的輸出功率單純由|t|² P_t + |k|² P_b 所給定。類似地，功率P_b ^’ 等於P_b 在底部波導器上行進的部分（等於|t|² P_b ），加上P_t 的耦合到底部波導器的部分（等於|k|² P_t ），加上由底部波導器處的訊號與頂部波導器處的訊號的干擾所造成的截項。再次地，若輸入光場彼此相干，則干擾項非零。然而，若輸入光學訊號不互相相干，則干擾項變為零。因此，假設訊號互不相干，底部波導器處的輸出功率單純由｜t｜² P_b+｜k｜² P_t所給定。

如上文所論述，在本文中所述的類型的雙軌架構中，將數值編碼在光學訊號之間的差異(功率差或幅度差)中。在輸入訊號互不相干時，差異P_t ^’-P_b ^’等於(｜t｜²-｜k｜²)(P_t-P_b)。應注意，在輸入訊號互不相干時，圖2A的定向耦合器操作為光學乘法器，因為其輸出量｜t｜²-｜k｜²乘以量P_t-P_b的乘積。然而，若輸入訊號互相相干，則定向耦合器不會輸出乘積。因此，至關重要的是，輸入訊號互不相干。

可以用各種方式實現互不相干。首先，可以藉由使用不相干的光源(例如LED)、放大的自發發射源、或具有相對較大的光譜線寬的激發發射源來實現互不相干。第二，可以藉由允許一個波導器(例如頂部波導器)行進比由另一個波導器(例如底部波導器)所行進的距離大的距離來實現互不相干，其中距離之間的差異大於光源的相干長度(如下文與圖4C結合詳細論述的)。

附加性地或替代性地，在一些實施例中，差分光學編碼器12可以使用圖2A的定向耦合器來實施。在此類實施例中，頂部輸入波導器接收P_in，而底部輸入波導器不接收光學訊號(然而相反的情況也是可能的)。輸出波導器分別輸出P_t = |t|² P_in 及P_b = |k|² P_in ，其中使用電壓V_x （即藉由控制距離d）來控制t及k。

依據一些實施例，差分光學乘法器14的另一個實施方式描繪於圖3中。此實施例包括馬赫-曾德爾干涉儀。在此實例中，基於由相移器（其轉而是基於電壓V_m 來控制的）所引入的相位φ₁ 及φ₂ 來控制係數t及k。差分輸出光學功率一般由以下等式所給定：，其中φ是φ₁ 與φ₂ 之間的差異。然而，在使用不相干的光源時或在光源具有比光學延遲線短的相干長度時，相位項時間平均為零。這使得。因此，輸出光學訊號的功率之間的差異與乘積成比例。

假設輸入光學訊號互不相干，圖2A及圖3的實施方式都產生差分光學乘法。這是因為，在訊號互不相干時，干擾項為零。應注意，還有其他方式可以使干擾項為零。例如，可以藉由將輸入光學訊號界定在互相正交的偏振上來將干擾項設定為零。附加性地或替代性地，可以藉由將輸入光學訊號界定在不重疊的時間軸上將干擾項設定為零。附加性地或替代性地，可以藉由將輸入光學訊號界定在不同的載波頻率上來將干擾項設定為零。

圖4A的架構被設計為使得訊號P_t 及P_b 彼此組合，使得干擾項為零。除了圖1A的架構以外，此架構還進一步包括光學正交化單元13。光學正交化單元13被配置為使得訊號P_t 及P_b 彼此正交。此處，若在訊號組合時，生成的干擾項實質為零，則兩個訊號正交。在圖4B的實例中，光學正交化單元13包括光學偏振旋轉器43。在此實例中，光學訊號P_t 及P_b 正交，因為它們被界定在正交的偏振上。

在圖4C的實例中，光學正交化單元13包括光學延遲線45（例如蛇形波導器）。此處，引入光學延遲線以使訊號P_t 相對於訊號P_b 延遲達足以使得訊號的相位互不相關的量。為了實現此結果，由光學延遲線45所引入的額外路徑必須大於光源的相干長度。在一些實施例中，可以將光學延遲線的尺寸調整為提供恆定的正交相位差。

替代性地或附加性地，引入光學延遲線以使訊號P_t 相對於訊號P_b 延遲達足夠的量，使得訊號在時間上不重疊（界定在不同的時間軸上）。為了實現此結果，由光學延遲線45所引入的額外延遲必須大於訊號脈波的持續時間。

在另一個實例中，光學正交化單元13包括用於將第一軌道界定在一個載波頻率上及將第二軌道界定在另一個載波頻率上的設備。在一些實施例中，這可以使用光學非線性介質來實現。或者，可以藉由使用用不同的波長發射的兩個相異的雷射來獲得相異的載波頻率。第一雷射用第一波長發射且支援第一軌道，第二雷射用第二波長發射且支援第二軌道。

圖4D描繪依據一些實施例的圖4C的架構的實施方式。此處，差分光學編碼器12及差分光學乘法器14都使用馬赫-曾德爾干涉儀70來實施。每個馬赫-曾德爾干涉儀均包括相移器72。使用電壓V_x 來控制差分光學編碼器12的相移器，並使用電壓V_m 來控制差分光學乘法器14的相移器。 III. 使用雙軌乘法器的光子處理器

圖1A的雙軌乘法器執行純量乘法（x乘以m）。然而，許多機器學習演算法依賴矩陣-矩陣（例如矩陣-向量）乘法。一些實施例與配置為使用上述的雙軌光學乘法器來執行矩陣-矩陣（例如矩陣-向量）乘法的光子處理器相關。這些光子處理器被配置為將矩陣M乘以向量X以產生向量Y。矩陣M在本文中也稱為「權重矩陣」，向量X在本文中也稱為「輸入向量」，而向量Y在本文中也稱為「輸出向量」。圖5繪示此類乘法的實例。在此實例中，M是MxN矩陣，然而本申請案的實施例不限於方形矩陣或任何特定的維度。

依據一些實施例，雙軌光子處理器的實例描繪於圖6中。在此實施方式中，光子處理器被配置為將2x2矩陣（M）乘以2x1輸入向量（X）以獲得2x1輸出向量（Y）。第一光源10提供具有功率P_in1 的輸入光學訊號，而第二光源10則提供具有功率P_in2 的輸入光學訊號（然而在一些實施例中，可以使用相同的光源）。P_in2 可以與P_in1相等或不同。每個光源之後均為差分光學編碼器12，其用與圖1A的差分光學編碼器結合描述的方式操作。第一差分光學編碼器接收電壓V_x1，其代表數值x₁。此差分光學編碼器使用電壓V_x1來對接收的輸入光學訊號進行編碼以產生具有功率P_t1及P_b1的一對編碼的光學訊號。將這些光學訊號提供為對兩個差分光學乘法器14的輸入。頂部差分光學乘法器接收電壓V_M11，其表示數值M₁₁。底部差分光學乘法器接收電壓V_M21，其表示數值M₂₁。兩個差分光學乘法器都用與圖1A的差分光學乘法器結合描述的方式操作。頂部差分光學乘法器輸出光學訊號Pb₁₁ ^’及Pt₁₁ ^’，而底部差分光學乘法器則輸出光學訊號Pb₂₁ ^’及Pt₂₁ ^’。Pb₁₁ ^’與Pt₁₁ ^’之間的差異與M₁₁及P_b1與P_t1之間的差異都成比例，且因此與乘積M₁₁x₁成比例。類似地，Pb₂₁ ^’與Pt₂₁ ^’之間的差異與M₂₁及P_b1與P_t1之間的差異都成比例，且因此與乘積M₂₁x₁成比例。使用相應的光電偵測器60來偵測四個輸出光學訊號。

第二差分光學編碼器接收電壓V_x2，其代表數值x₂。此差分光學編碼器使用電壓V_x2來對接收的輸入光學訊號進行編碼以產生具有功率P_t2及P_b2的一對編碼的光學訊號。將這些光學訊號提供為對兩個差分光學乘法器14的輸入。頂部差分光學乘法器接收電壓V_M12，其表示數值M₁₂。底部差分光學乘法器接收電壓V_M22，其表示數值M₂₂。兩個差分光學乘法器都用與圖1A的差分光學乘法器結合描述的方式操作。頂部差分光學乘法器輸出光學訊號Pb₁₂ ^’ 及Pt₁₂ ^’ ，而底部差分光學乘法器則輸出光學訊號Pb₂₂ ^’ 及Pt₂₂ ^’ 。Pb₁₂ ^’ 與Pt₁₂ ^’ 之間的差異與M₁₂ 及Pb₂ 與Pt₂ 之間的差異都成比例，且因此與乘積M₁₂ x₂ 成比例。類似地，Pb₂₂ ^’ 與Pt₂₂ ^’ 之間的差異與M₂₂ 及Pb₂ 與Pt₂ 之間的差異都成比例，且因此與乘積M₂₂ x₂ 成比例。使用相應的光電偵測器60來偵測四個輸出光學訊號。

如圖6中所示，將光電偵測器的輸出組合（參照例如節點62），藉此允許光電流彼此相加。接收器64接收由偵測器60所產生的光電流。接收器64包括差分跨阻放大器（或用於從第二輸入電流減去第一輸入電流的其他電路）及類比到數位轉換器。頂部接收器64輸出數值y₁ =M₁₁ x₁ +M₁₂ x₂ 。底部接收器64輸出數值y₂ =M₂₁ x₁ +M₂₂ x₂ 。

4x4雙軌光子處理器的實例繪示在圖7A中。此處理器包括四個光源10（未示出）、四個差分編碼器12（其將數值x₁ 、x₂ 、x₃ 、及x₄ 編碼到相應的雙軌光學訊號對中）、四個分光器樹75（更詳細地示於圖7B中）、十六個差分光學乘法器14（其將相應的輸入乘以M₁₁ 、M₂₁ 、M₃₁ 、M₄₁ 、M₁₂ 、M₂₂ 、M₃₂ 、M₄₂ 、M₁₃ 、M₂₃ 、M₃₃ 、M₄₃ 、M₁₄ 、M₂₄ 、M₃₄ 、M₄₄ ）、三十二個偵測器60、及四個接收器64。

圖7B更詳細地繪示圖7A的光子處理器的一部分。更具體而言，圖7B繪示分光器樹75。分光器樹75向多個差分光學乘法器14遞送由差分光學編碼器12所產生的光學訊號。在此實施方式中，分光器樹包括多個3db分光器76及多個光學波導器交叉77。每個交叉均可以使用兩個級別的波導器來實施。例如，一個波導器級別（例如底部級別）可以由矽製成，而另一個波導器級別（例如頂部級別）則可以由氮化矽製成。

圖8繪示了不包括光學波導器交叉的替代分光器樹。發明人已經認識到，將光傳遞通過波導器交叉會導致光學損耗，因此對光子處理器的整體效能有負面影響。因為省略了波導器交叉，所以圖8的樹改善了光子處理器的效能（下文與圖12C結合描述此類分光器樹的另一個實例）。 IV.  基於可調變偵測器的光學乘法器及處理器

發明人已經理解到，由於存在過長的光學干涉儀，一些光學乘法器佔據了大量晶片佔據空間。這限制了可以整合在單個晶片上的乘法器數量，因此限制了採用這些乘法器的光子處理器的計算能力。一些實施例與基於可調變偵測器的緊湊光學乘法器相關。可調變偵測器是具有可以由使用者使用電控制訊號來控制的至少一個特性的光學偵測器。這些偵測器被設計為使得變化控制訊號（例如電壓或電流）的大小會變更偵測器的特性（例如偵測器的響應率、增益、阻抗、電導率等等）。因此，偵測器的光電流不僅取決於偵測器接收的光學功率，也取決於向偵測器施加的控制訊號。基於可調變偵測器的光學乘法器被設計為使得要相乘的因數中的一者會調變可調變的特性。例如，在可調變特性是偵測器的響應率的實施例中的一些中，可以基於權重參數m來控制響應率。

圖9A是方塊圖，其繪示依據一些實施例的可調變偵測器。可調變偵測器90接收具有功率P的光學訊號作為輸入，且響應於此，產生光電流i（此論述將忽略可調變偵測器的暗電流）。光電流i藉由以下表達式與輸入光學功率相關：i=P/R，其中R是可調變偵測器的響應率。除了取決於功率P以外，光電流也取決於控制電壓V（或在其他的實施例中，取決於另一個類型的電訊號，例如控制電流）。此偵測器前面是用語「可調變」以指示，可以通過施加控制電訊號來調變光電流。下文進一步詳細描述可調變偵測器90的示例實施方式。

圖9B是方塊圖，其繪示依據一些實施例依據雙軌架構佈置的一對可調變偵測器。頂部可調變偵測器接收光學功率P₊ 及控制電壓V₁ 。光電流i₁ 取決於光學功率P₊ 及控制電壓V₁ 。類似地，底部可調變偵測器接收光學功率P_- 及控制電壓V₂ 。光電流i₂ 取決於光學功率P_- 及控制電壓V₂ 。

圖9C是方塊圖，其繪示依據一些實施例的可調變偵測器的內部。可調變偵測器90包括光電偵測器91及增益級92。光電偵測器91可以使用光電導體、光電二極體、崩潰光電二極體、光電晶體、光電倍增器（例如管）、超導偵測器、基於石墨烯的偵測器、或任何其他合適類型的光敏設備來實施。增益級92可以包括例如用於放大由光電偵測器91所產生的電流的電流放大器。在一些實施例中，調變可調變偵測器90的特性可以涉及使用電壓V（或使用控制電流）來調變光電偵測器91的響應率及/或增益級92的增益（例如電流增益）或阻抗。圖9D與圖9C的圖解類似，但繪示用雙軌配置佈置的一對可調變偵測器。如所示，每個光電偵測器91均耦合到兩個增益級92。

圖10A是方塊圖，其繪示依據一些實施例基於可調變偵測器的光學乘法器。例如圖1A的乘法器一樣，此乘法器包括光源10及控制器17，該控制器包括一對D/A 19及數值單元18。

光學編碼器82產生具有功率P_x 的編碼的光學訊號，該功率與數值x及輸入功率P_in 都成比例。光學編碼器82可以使用任何光學調變器來實施，包括光學干涉儀（例如可調諧定向耦合器或馬赫-曾德爾干涉儀）、諧振調變器、法蘭茲-卡爾迪西調變器等等。

可調變偵測器90將數值x乘以數值m。這藉由產生光電流i來實現，該光電流與P_x 及m都成比例（藉由電壓V_m ），且因此與P_in 、x、及m成比例。接收器96包括跨阻放大器及類比到數位轉換器。接收器96產生等於x乘以m的乘積的輸出數值y。

圖10B是流程圖，其繪示依據一些實施例用於執行數學運算（例如乘法）的方法。方法200可以使用任何合適的光學設備來執行，包括圖10A中所描繪的基於可調變偵測器的光學乘法器。

方法200開始於步驟202處，其中光學設備接收輸入光學訊號。例如參照圖10A的架構，在步驟202處，光學編碼器82接收光學訊號P_in 。

在步驟204處，光子設備獲得第一數值及第二數值。這些是要相乘的數值。不需要同時獲得數值。例如參照圖10A的乘法器，在步驟204處，數值單元18基於儲存在控制器17的記憶體中的資料及/或從另一個計算系統獲得的資料來產生數值x及m。這些數值可以表示任何類型的資訊，例如文字、音訊、視訊等等。數值可以是實數或複數、正數或負數。

在步驟206處，光子設備藉由使用第一數值修改輸入光學訊號來產生編碼的光學訊號。例如參照圖10A的乘法器，在步驟206處，光學編碼器82產生具有與P_in 及x都成比例的功率的編碼的光學訊號。

在步驟208處，光子設備產生光電流。產生涉及使用可調變偵測器來偵測編碼的訊號，並基於第二數值來設定可調變偵測器的特性。例如參照圖10A的乘法器，在步驟208處，可調變偵測器90產生光電流i，其涉及偵測光學訊號P_x 及基於電壓V_m 來設定可調變偵測器的特性。

在步驟210處，光子設備使用光電流來獲得數學運算的結果。在一些實施例中，結果表示第一數值乘以第二數值的乘積。在一些實施例中，此步驟涉及基於在步驟208處所產生的光電流來產生電壓，及將電壓轉換到數位域。例如參照圖10A的乘法器，可以使用接收器96來執行步驟210。

圖10A的光學乘法器基於單軌架構。然而，在一些實施例中，基於可調變偵測器的光學乘法器是依據雙軌架構來佈置的。用這種方式，乘法器進一步利用了上文與圖1A結合描述的益處，包括增加對雜訊的免疫力及減少光學損耗。

圖11是依據一些實施例基於雙軌可調變偵測器的光學乘法器的方塊圖。此光學乘法器將圖1A的架構與圖10A的架構組合在一起。差分光學編碼器12產生分別具有功率P_t及P_b的一對編碼的光學訊號。光學訊號之間的差異(例如訊號功率或訊號幅度的差異)與數值x及輸入功率P_in都成比例。此光學乘法器包括一對可調變偵測器90。頂部可調變偵測器產生光電流i_t，底部可調變偵測器產生光電流i_b。光電流i_t取決於光學功率P_t及電壓V_m。類似地，光電流i_b取決於光學功率P_b及電壓-V_m。i_t與i_b之間的差異與m及V_t-V_b都成比例，且因此與P_in、x、及m成比例。在一些實施例中，可以如圖9D中所描述地將兩個可調變偵測器耦合在一起，使得兩個光電流i_t及i_b取決於光學功率P_t及P_b以及V_m。在此配置中，可調變偵測器將光電流引向右側輸出軌，以維持在偵測器本身產生的大光電流。差分接收器96包括差分跨阻放大器（或用於從第二光電流減去第一光電流的其他電路）及類比到數位轉換器。

圖10A及圖11的基於可調變偵測器的乘法器執行純量乘法（x乘以m）。然而，一些實施例與包括可調變偵測器且設計為計算矩陣-矩陣（例如矩陣-向量）乘法的光子處理器相關。這些光子處理器可以使用單軌或雙軌架構來實施。

依據一些實施例，基於可調變偵測器的雙軌光子處理器的實例描繪於圖12A中。在此實施方式中，光子處理器被配置為將2x2矩陣（M）乘以2x1輸入向量（X）以獲得2x1輸出向量（Y）。此處理器用與跟圖11結合描述的乘法器類似的方式操作。第一光源10提供具有功率P_in1 的輸入光學訊號，而第二光源10則提供具有功率P_in2 的輸入光學訊號（然而在一些實施例中，可以使用相同的光源）。P_in2 可以與P_in1 相等或不同。每個光源之後均為差分光學編碼器12，其用與圖11的差分光學編碼器結合描述的方式操作。第一差分光學編碼器接收電壓V_x1 ，其代表數值x₁ 。此差分光學編碼器使用電壓V_x1來對 接收的輸入光學訊號進行編碼以產生具有功率P_t1 及P_b1 的一對編碼的光學訊號。將這些光學訊號提供作為對一組可調變偵測器90的輸入。頂部的可調變偵測器對接收電壓V_M11 及-V_M11 ，其表示數值M₁₁ 。底部的可調變偵測器對接收電壓V_M21 及-V_M21 ，其表示數值M₂₁ 。差分可調變偵測器對都用與圖11結合描述的方式操作。頂部可調變偵測器對輸出光電流i_b11及i_t11，而底部可調變偵測器對則輸出光電流i_b21及i_t21。i_b11與i_t11之間的差異與M₁₁及P_b1與P_t1之間的差異都成比例，且因此與乘積M₁₁x₁成比例。類似地，i_b21與i_t21之間的差異與M₂₁及P_b1與P_t1之間的差異都成比例，且因此與乘積M₂₁x₁成比例。

第二差分光學編碼器接收電壓V_x1，其代表數值x₂。此差分光學編碼器使用電壓V_x2來對接收的輸入光學訊號進行編碼以產生具有功率P_t2及P_b2的一對編碼的光學訊號。將這些光學訊號提供作為對一組可調變偵測器90的輸入。頂部的可調變偵測器對接收電壓V_M12及-V_M12，其表示數值M₁₂。底部的可調變偵測器對接收電壓V_M22及-V_M22，其表示數值M₂₂。頂部可調變偵測器對輸出光電流i_b12及i_t12，而底部可調變偵測器對則輸出光電流i_b22及i_t22。i_b12與i_t12之間的差異與M₁₂及Pb₂與Pt₂之間的差異都成比例，且因此與乘積M₁₂x₂成比例。類似地，i_b22與i_t22之間的差異與M₂₂及P_b2與P_t2之間的差異都成比例，且因此與乘積M₂₂x₂成比例。

將光電偵測器的輸出組合(參照例如節點62)，藉此允許光電流彼此相加。接收器96接收由偵測器90所產生的光電流。接收器96包括差分跨阻放大器(或用於從第二輸入電流減去第一輸入電流的其他電路)及類比到數位轉換器。頂部接收器96輸出數值y₁ =M₁₁ x₁ +M₁₂ x₂ 。底部接收器96輸出數值y₂ =M₂₁ x₁ +M₂₂ x₂ 。

4x4的基於可調變偵測器的雙軌光子處理器的實例繪示在圖12B中。此處理器包括四個光源10（未示出）、四個差分編碼器12（其將數值x₁ 、x₂ 、x₃ 、及x₄ 編碼到相應的雙軌光學訊號對中）、四個分光器樹75、三十二個可調變偵測器90（其將相應的輸入乘以M₁₁ 、M₂₁ 、M₃₁ 、M₄₁ 、M₁₂ 、M₂₂ 、M₃₂ 、M₄₂ 、M₁₃ 、M₂₃ 、M₃₃ 、M₄₃ 、M₁₄ 、M₂₄ 、M₃₄ 、及M₄₄ ）、及四個接收器96。

雖然未明確繪示在圖11、12A、及12B中，但也可以依據圖9D中所描繪的方案來佈置可調變偵測器90。因此，一對可調變偵測器的光電偵測器91控制直接耦合到光電偵測器的增益級及直接耦合到該對的另一個光電偵測器的增益級。

圖12C繪示了不包括光學波導器交叉77的替代分光器樹。與圖12A的樹中一樣，每個差分光學編碼器均饋入四個可調變偵測器。在圖12A的樹中，這四個可調變偵測器90全都用相同的方向定向。相反，在圖12C的樹中，一半的可調變偵測器90用一個方向定向，而一半的可調變偵測器90則用另一個方向定向（例如相反的方向）。具有用相反方向定向的可調變偵測器的佈置示於圖12C的插圖中。使可調變偵測器組用不同方向定向實現了省略波導器交叉的分光器樹，且因此減少了光學損耗。

應注意，與圖12A-12B結合描述的光子處理器具有相對較短的光路徑，特別是在與圖6及7A的光子處理器相比時。例如將圖12A的光子處理器與圖6的光子處理器進行比較。在圖12A的光子處理器中，光路徑僅從光源延伸到可調變偵測器。相比之下，圖6的光子處理器具有較長的光路徑，其除了圖12A的光路徑以外還包含差分光學放大器。

儘管光路徑較短，圖12A的光子處理器仍然充分利用了光學訊號處理的物理性質。發明人已經理解到，實施為完全在電氣域中操作的類比加速器會遭受加速器的不同級之間不期望的耦合。在類比電子加速器中，除了前向電路徑以外，還存在一個在後向方向上耦合電訊號的不需要的後向路徑。這造成了各種負面影響，包括雜訊增加及速度減少。相比之下，光學訊號本質上僅在一個方向（前向方向）上行進。因此，一般不會有在後向方向上行進的光學訊號，該等光學訊號原本可能會對光子處理器的效能有負面影響（然而在一些實施例中，可能存在光學後向反射，可以使用正確的光學端接來大量減少這些反射的程度）。發明人已經理解到，例如如圖12A中所示地將數值編碼在光域中會有效地將編碼器與乘法器隔離，藉此避免存在於全電氣加速器中的負面影響。 V.可調變偵測器的實例

如上文所論述，本文中所述的類型的可調變偵測器是具有可以由使用者使用一或更多個電控制訊號來控制的至少一個特性的光學偵測器。因此，可調變偵測器具有至少一個電氣控制端子。這些偵測器被設計為使得施加控制訊號（例如電壓、電流、或電荷）會變更偵測器的特性（例如偵測器的響應率、增益、阻抗等等）。因此，偵測器的光電流不僅取決於入射於偵測器上的光學功率，也取決於向偵測器施加的控制訊號。

如上文與圖9C-9D結合論述，在一些實施例中，調變可調變偵測器的特性可以涉及調變一或更多個光電偵測器91的響應率。圖13繪示依據一些實施例的光電偵測器91的示例。此光電偵測器被配置為操作為光電導體—入射光會產生電子-電洞對，這使得電流在存在電場的情況下流動。光電導體包括光學波導器1300（例如矽波導器）、包括鍺（然而在一些實施例中可以使用鍺以外的吸收材料）的光吸收區域1302、及電極1304及1306。光學波導器1300向鍺區域1302提供光。假設波長小於鍺的吸收截止波長（在一些實施例中為約1.9µm），入射光被鍺吸收，且產生電子-電洞對。若在電極1304與1306之間施加電壓，則會建立將光生載流子掃出鍺區域的電場，藉此產生光電流。在此實施方式中，可調變特性是光電導體的響應率。發明人已經理解到，事實上，此光電導體的響應率R（用安培每瓦特為單位測量）取決於向電極施加的電壓V。詳細而言，響應率由以下表達式所給定： 其中是電子重組時間，是電子遷移率，是設備電極間隔，是本質量子效率，是偵測器材料的吸收係數，是入射光的頻率，而則是相對於光傳播方向的縱向方向上的設備深度。應注意，因為響應率R與電壓V成比例，所以光電流也與V成比例。因此，可以藉由變化V來控制光電流。

圖14A-14B繪示依據一些實施例的光電偵測器91的另一個實例。圖14A是俯視圖，而圖14B則是沿著圖14A的BB線截取的橫截面圖。此光電偵測器包括波導器100（例如矽或氮化矽波導器）、高度摻雜的n區域（n+區域）102、本質區域（i區域）103、p區域104、氧化物層（例如二氧化矽）105、聚矽層（或由另一種導電材料製成的層）106、本質區域（i區域）107、包括鍺（或包括另一種吸收材料）的光吸收區域108、及高度摻雜的p區域（p+區域）110。在一些實施例中，鍺區域也被塑形為形成光學波導器。

波導器100緊靠鍺區域108。用這種方式，沿著波導器100向下行進的光被傳送到鍺區域108，且因此被吸收。鍺區域108定位在本質區域107的頂部上。例如，鍺區域108外延地生長在矽上。高度摻雜的區域102及110連接到相應的電極。p區域104定位在鍺區域108附近。氧化物層105定位在p區域104的頂部上，而聚矽層106則定位在氧化物層105的頂部上。

總而言之，p區域104、氧化物層105、及聚矽層106形成金屬氧化物半導體電容器（MOS電容器）。應理解，在一些實施例中，可以使用MOS電容器以外的控制電容器，包括例如蕭特基接面電容器（Shottky junction-capacitor）或基於鍺的電容器。圖14C繪示圖14B的光電偵測器沿著CC線的能帶圖。圖繪示了四個帶。頂部帶表示在向MOS電容器施加低的偏壓電壓時的導帶及在向MOS電容器施加大的偏壓電壓時的導帶。底部帶表示在向MOS電容器施加低的偏壓電壓時的價帶及在向MOS電容器施加大的偏壓電壓時的價帶。

在n+區域與p+區域之間施加的電壓控制沿著x軸線的電場。在圖14C的圖解中，此電壓產生逆向偏壓。逆向偏壓轉而產生沿著x軸線定向的電場。假設光載流子具有足以克服存在於Ge區域108與p區域104之間的界面處的能量勢壘的能量，此電場會將光生載流子掃離鍺區域。

向MOS電容器或其他控制電容器施加的電壓（稱為閘極電壓）決定Ge區域108與p區域104之間的界面處的電子能量勢壘及電洞能量勢壘的程度。在向MOS電容器施加的偏壓電壓低時，電子能量勢壘及電洞能量勢壘都相對較大。在這些條件下，鍺區域中光生的載流子被阻擋，且因此不會產生明顯的光電流。相反，在向MOS電容器施加的偏壓電壓大時，電子能量勢壘及電洞能量勢壘都相對較低。在這些條件下，鍺區域中光生的載流子具有足以克服相應的勢壘的能量，且因此會產生光電流。因此，向MOS電容器施加的電壓會控制光電偵測器的響應率。

在一些實施例中，光電偵測器包括崩潰區域，在該崩潰區域中，光生載流子經歷撞擊電離，因此產生增益。在圖14A-14B的實例中，i區域103形成崩潰區域。在其他的實施例中，崩潰區域可以包括準i區域（例如具有小於10^-14 cm^-3 的摻雜濃度的區域）。撞擊電離發生在崩潰區域中，這會放大光電流。因此，崩潰區域的存在會增加光電偵測器的靈敏度。在一些實施例中，可以藉由控制與崩潰區域相關聯的增益來調變光電偵測器的響應率。

圖15A是繪圖，其繪圖圖14A-14B中所描繪的類型的光電偵測器的響應率。在此實例中，鍺區域具有500 nm的寬度（其是在與x軸線平行的方向上所測量到）。如所示，變化向MOS電容器施加的電壓（閘極電壓）導致光電偵測器的響應率改變。如上文所論述，因為電壓控制著能量勢壘的程度，所以會發生響應率的此種改變。

圖15B是另一個繪圖，其繪圖圖14A-14B中所描繪的類型的光電偵測器的響應率。再次地，鍺區域的寬度為500 nm。在此情況下，輸入光學訊號的功率也變化了。如所示，變化輸入功率也會使得響應率改變，這是不合需要的，因為這對光電偵測器的線性度有負面影響。圖15C及15D繪示類似的繪圖。在圖15C的繪圖中，鍺區域的寬度為1000 nm。在圖15D的繪圖中，鍺區域的寬度為1500 nm。這些繪圖繪示，可以藉由正確選定鍺區域的寬度來減輕響應率與輸入功率的相依性。

圖15E進一步繪示，響應率展現出弱的溫度相依性。與功率相依性一樣，可以藉由正確選定鍺區域的寬度來減輕溫度相依性。

發明人已經理解到，圖14A-14B的光電偵測器的速度取決於向MOS電容器施加的閘極電壓。在閘極電壓高到足以驅使MOS電容器反轉時，光生載流子被快速掃離鍺區域。在不施加閘極電壓時，光生載流子由於存在能量勢壘而被儲存在鍺區域中，且由於載流子重組過程而大大地衰減。

圖16A示出時間上狹窄的入射光學脈波的光載流子濃度與時間的關係。如所示，存在與光載流子相關聯的兩個時間常數：一個與上升時間（τ_γ ）相關聯，而另一個則與下降時間（τ_R ）相關聯。上升時間與光生載流子的產生相關聯。在沒有光載流子掃掠場的情況下，下降時間與載流子重組過程（其在不完美的半導體中一般是數奈秒的數量級）相關聯。藉由引入「掃掠場」，這可以顯著加速。可以週期性地施加掃掠場以移除光生載流子並有效地增加設備的帶寬，如圖16B中所示。掃掠場的一個可能的實施方式會是向MOS電容器施加高電壓脈波。

如上文所論述，發明人已經理解到，可以將光電偵測器設計為如圖14B中所示地在將崩潰區域包括在p區域104與n+區域102之間時展現崩潰倍增。圖17描繪在閘極電壓變化的情況下的代表性光電偵測器的逆向偏壓的I-V特性。如所示，在此實例中，崩潰倍增在10 V左右開始。

如上文與圖9C-9D結合論述，在一些實施例中，調變可調變偵測器的特性可以涉及調變一或更多個增益級92的電流增益。圖18A-18H是依據一些實施例具有由可調變的電流增益所表徵的增益級的各種可調變偵測器的電路圖。在這些可調變偵測器中，使用電晶體來實施增益級92。進一步地，在這些可調變偵測器中，用數值x對光學功率P_x （及可選的電壓-P_x ）進行編碼；電壓V_m （及可選的電壓-V_m ）用數值m來編碼，且調變電流增益；及光電流i_xm （及可選的電流-i_xm ）表示數值x乘以數值m的乘積。應理解，雖然這些圖式繪示使用MOS電晶體來形成的增益級，但也可以使用任何其他合適類型的電晶體，包括雙極接面電晶體（BJT）及接面場效電晶體（JFET）。因此，如本文中所使用的，用語「閘極」指示場效電晶體的閘極或雙極電晶體的基極，用語「源極」指示場效電晶體的源極或雙極電晶體的射極，而用語「汲極」則指示場效電晶體的汲極或雙極電晶體的集電極。也應注意，電晶體的汲極及源極可以可互換。因此，在一些實施例中，在將電晶體的汲極描述為耦合到某個端子時，這包括了電晶體的源極耦合到端子的配置（反之亦然）。

圖18A-18H的可調變偵測器允許對帶符號的數值進行編碼。在這些實施例中，事實上，基於光電流的方向來表示數值的符號（正或負）。

圖18A的可調變偵測器包括光電偵測器91及用作增益級92的電晶體T1。光電偵測器91偵測光學訊號P_x 。電晶體T1的源極耦合到光電偵測器91。電晶體T1的閘極接收電壓V_m 。電壓V_m 控制電晶體T1的閘極-源極電壓，且因此控制由電晶體所提供的電流增益。光電流i_xm 與數值x及數值m都成比例，因此表示這些數值的乘積。發明人已經理解到，此類單端/不平衡的電路具有三個限制。首先，此種單端電路容易受到共模及電源雜訊的影響，這兩者都會使可調變偵測器的效能劣化。第二，低數值的電壓V_m 會關斷電晶體T1，因此嚴重限制電晶體的速度。第三，阻斷一些或全部的光電流會導致取決於光學功率的電荷累積，從而使得有效響應率不僅取決於所施加的電壓V_m 也取決於輸入光學功率。

圖18B繪示依據一些實施例的另一個可調變偵測器。此可調變偵測器包括兩個光電偵測器91，以在P_x 輸入上用增強的共模抑制比（CMRR）提供對差分光學輸入訊號P_x 的平衡偵測。增益級92包括互補MOS（CMOS）反相器—p型（PMOS）電晶體T2及n型（NMOS）電晶體T3允許經由單端電壓V_m 進行調變。光電流2i_xm 表示數值x乘以數值m的乘積。然而，發明人已經理解到，此種可調變偵測器會在V_m 輸入上遭受不良的CMRR。為了使電路正確操作，必須正確地調整PMOS電晶體及NMOS電晶體的尺寸以提供相等的驅動強度。PMOS電晶體與NMOS電晶體之間的任何工序變化均會造成系統偏置誤差，因此對電路提供相等驅動強度的能力有負面影響。進一步地，此種可調變偵測器會遭受上文與圖18A的可調變偵測器結合描述的第二個問題及第三個問題。

圖18C繪示依據一些實施例的另一個可調變偵測器。此實施例涉及平衡的偵測（參照偵測器91）及單端調變（參照電晶體T4，其用作增益級92）。光電流2i_xm 表示數值x乘以數值m的乘積。然而，發明人已經理解到，此種可調變偵測器會遭受上文與圖18B的可調變偵測器結合描述的相同缺點。

圖18D繪示依據一些實施例的另一個可調變偵測器。此種可調變偵測器包括具有兩個電晶體（T5及T6）的增益級，該等電晶體用差分對配置來佈置以提供差分調變。發明人已經理解到，此種配置會導致V_m 輸入上大的CMRR。進一步地，此種可調變偵測器避免了與圖18A-18C結合描述的速度限制。由於調變電氣輸入訊號V_m 的差分本質，電晶體中的至少一者總是導通，因此實現高速操作。此外，因為電流連續地流動通過增益級，所以可以忽視光學功率相依的電荷累積。其因此，可調變偵測器的整體響應率不取決於光學功率。然而，發明人已經理解到，此種可調變偵測器會在P_x 輸入上遭受低的CMRR。

圖18E-18H的可調變偵測器提供了全差分調變及平衡偵測，並解決了與圖18A-18D結合描述的問題。圖18E繪示依據一些實施例的另一個可調變偵測器。此種可調變偵測器包括具有有著交叉耦合連接的兩個差分對（參照電晶體對T7-T8及電晶體對T9-T10）的增益級。電晶體T7的汲極耦合到電晶體T9的汲極，而電晶體T8的汲極則耦合到電晶體T10的汲極。光電偵測器91耦合到電晶體T7-T10的源極。電壓V_m 及-V_m 控制增益級的電流增益，且光電流2i_xm 及-2i_xm 表示數值x乘以數值m的乘積。圖18E的可調變偵測器提供了高速操作、光學功率無關的整體響應率、對工序變化及失配的強健性、及在P_x 及V_m 上都大的CMRR。

圖18F繪示依據一些實施例的另一個可調變偵測器。此種可調變偵測器與圖18E的可調變偵測器類似。然而，此種可調變偵測器包括具有CMOS反相器的增益級，該等CMOS反相器具有差分電晶體對。PMOS電晶體T11及NMOS電晶體T12具有彼此耦合的汲極。類似地，PMOS電晶體T13及NMOS電晶體T14具有彼此耦合的汲極。一個光電偵測器91耦合到電晶體T12及T14的源極。一個光電偵測器91耦合到電晶體T11及T13的源極。可以將此種可調變偵測器視為圖18B的可調變偵測器的差分版本。

圖18G繪示依據一些實施例的另一個可調變偵測器。此種可調變偵測器與圖18E的可調變偵測器類似，但包括具有一個差分電晶體對T15-T16的增益級。此種可調變偵測器包括節點N1，其耦合到光電偵測器91以及電晶體T15及T16的源極。可以將此種可調變偵測器視為圖18C的可調變偵測器的全差分版本。

圖18H繪示依據一些實施例的另一個可調變偵測器。此種可調變偵測器包括具有兩個CMOS傳輸閘的增益級。電晶體T17及T18的汲極彼此耦合，且電晶體T17及T18的源極也彼此耦合。類似地，電晶體T19及T20的汲極彼此耦合，且電晶體T19及T20的源極也彼此耦合。NMOS電晶體T17及PMOS電晶體T18形成第一互補傳輸閘。NMOS電晶體T20及PMOS電晶體T19形成第二互補傳輸閘。節點N2耦合到兩個互補傳輸閘及兩個光電偵測器91。

圖19A繪示圖18E的可調變偵測器的穩態整體響應率(依據光電流2i_xm及輸入功率P_x來測量)，其被繪製為電壓V_m的函數。其他可調變偵測器具有類似的響應。此繪圖所反映的事實是，電壓V_m會調變由電晶體T7-T10共同提供的電流增益。應注意，整體響應率與輸入光學功率幾乎無關。圖19B繪示暫態整體響應率與時間的關係。暫態響應展現出小於500ps的穩定時間，因此指示吉赫範圍中的高速操作。

本文中所述的類型的光子處理器可以包括數萬個甚至數十萬個可調變偵測器。例如，在一些實施例中，配置為對256 x 256的矩陣執行乘法的光子處理器可以包括多達131,072個可調變偵測器。發明人已經理解到，會合乎需要的是，將光子處理器整合在單個晶片上以減少製造成本、增加操作速度、及限制功耗。因為本文中所述的類型的光子處理器包括光子電路及電子電路，所以將光子處理器整合在單個晶片上會涉及電子-光子共整合。這可以至少用兩種方式實現。

第一種方式涉及在相同的矽基板上形成電晶體及矽光子設備。例如，可以將矽光子設備及電晶體形成於相同的矽層上。依據一些實施例，代表性的佈置描繪於圖20A中。在此情況下，電晶體及矽光子設備都形成於基板300（例如矽本體基板或絕緣體上矽基板）上。包層302（例如二氧化矽層）形成於基板的柄（handle）與矽層304之間。電晶體306（除了其他項目以外，其包括圖18A-18H的佈置中的任一者中所使用的電晶體且可選地包括構成控制器17的電晶體）被圖案化在矽層304上。類似地，矽光子設備308（除了其他項目以外，其包括上述的光學編碼器、光學乘法器、分光器樹）也被圖案化在矽層304上。鍺區域310（其可以用來形成上述的光電偵測器中的任一者）例如經由外延生長形成於矽層304的頂部上。

第二種方式涉及在單獨的基板上形成矽光子設備及電晶體，並將基板結合在一起。依據一些實施例，代表性的佈置描繪於圖20B中。此處，電晶體306形成於基板300上，而矽光子設備308形成於基板400上。與先前的實例中一樣，矽光子設備308形成於矽層（404）上，而鍺區域310則形成於矽層404的頂部上。基板300及400使用來倒裝晶片結合技術彼此結合。例如，可以使用穿過包層414的直通氧化物導孔（如圖20B中所示）及/或使用直通矽導孔（未示於圖20B中）來使基板電氣連通。 VI.  結論

在已經如此描述了此申請案的技術的幾個方面及實施例的情況下，要理解，本領域中的通常技術人員將容易想到各種變更、變體、及改善。此類變更、變體、及改善旨在落在本申請案中所描述的技術的精神及範圍之內。因此，要瞭解，前述實施例是僅藉由實例的方式的呈現的，且在隨附請求項及其等效物的範圍內，可以用具體描述的方式以外的其他方式實行發明性的實施例。此外，本文中所述的二或更多個特徵、系統、製品、材料、及/或方法的任何組合，在此類特徵、系統、製品、材料、及/或方法不互相矛盾時，被納入本揭示內容的範圍內。

並且，如所述，可以將一些態樣實施為一或多個方法。作為方法的一部分而執行的動作可以用任何合適的方式排序。因此，可以建構動作用與所說明的順序不同的順序執行的實施例，即使在說明性的實施例中示為順序的動作，這也可以包括同時執行一些動作。

應將如本文中所界定及使用的所有定義瞭解為支配字典定義、以引用方式併入的文件中的定義、及/或所界定的用語的通常意義。

除非明確地相反指示，否則應將如本文中在說明書中及請求項中所使用的不定冠詞「一」及「一個」瞭解為意味著「至少一個」。

應將如本文中在說明書中及請求項中所使用的語句「及/或」瞭解為意味著如此結合的元素（即 在一些情況下結合地存在而在其他情況下分離地存在的元素）「中的任一者或兩者」。

如本文中在說明書中及請求項中所使用的，應將關於一或更多個元素的列表的語句「至少一個」瞭解為意味著選自元素列表中的元素中的任一者或更多者的至少一個元素，但不一定包括元素列表內具體列出的每個元素中的至少一者且不排除元素列表中的元素的任何組合。此定義也允許語句「至少一個」所指稱的元素列表內具體識別的元素以外的元素可以可選地存在，無論與具體識別的彼等元素相關或不相關。

用語「大約」及「約」可以用來意指在一些實施例中的目標值的±20%內、在一些實施例中的目標值的±10%內、在一些實施例中的目標值的±5%內、還有在一些實施例中的目標值的±2%內。用語「大約」及「約」可以包括目標值。

10:光源 12:差分光學編碼器 13:光學正交化單元 14:差分光學乘法器 16:差分接收器 17:控制器 18:數值單元 19:數位轉類比轉換器（D/A） 20:方法 22:步驟 24:步驟 26:步驟 28:步驟 30:步驟 43:光學偏振旋轉器 45:光學延遲線 60:光電偵測器 62:節點 64:接收器 70:馬赫-曾德爾干涉儀 72:相移器 75:分光器樹 76:3db分光器 77:光學波導器交叉 82:光學編碼器 90:可調變偵測器 91:光電偵測器 92:增益級 96:接收器 100:波導器 102:高度摻雜的n區域（n+區域） 103:本質區域（i區域） 104:p區域 105:氧化物層 106:聚矽層 107:本質區域（i區域） 108:光吸收區域 110:高度摻雜的p區域（p+區域） 200:方法 202:步驟 204:步驟 206:步驟 208:步驟 210:步驟 300:基板 302:包層 304:矽層 306:電晶體 308:矽光子設備 310:鍺區域 400:基板 404:矽層 414:包層 1300:光學波導器 1302:光吸收區域 1304:電極 1306:電極 A:區域 d:距離 i₁ :光電流 i₂ :光電流 i_b :光電流 i_b11 :光電流 i_b12 :光電流 i_b21 :光電流 i_b22 :光電流 i_t :光電流 i_t11 :光電流 i_t12 :光電流 i_t21 :光電流 i_t22 :光電流 i_xm :光電流 m:數值 M:矩陣 M₁₁ :數值 M₁₂ :數值 M₁₃ :數值 M₁₄ :數值 M₂₁ :數值 M₂₂ :數值 M₂₃ :數值 M₂₄ :數值 M₃₁ :數值 M₃₂ :數值 M₃₃ :數值 M₃₄ :數值 M₄₁ :數值 M₄₂ :數值 M₄₃ :數值 M₄₄ :數值 N2:節點 P:功率 P_-:功率 P₊:功率 P_b:功率 P_b ^’:功率 P_b1:功率 P_b11 ^’:光學訊號 P_b12 ^’:光學訊號 P_b2:光學訊號 P_b21 ^’:光學訊號 P_b22 ^’:光學訊號 P_in:輸入功率 P_in1:功率 P_in2:功率 P_in3: P_in4: P_t:功率 P_t ^’:功率 P_t1:功率 P_t11 ^’:光學訊號 P_t12 ^’:光學訊號 P_t2:功率 P_t21 ^’:光學訊號 P_t22 ^’:光學訊號 P_x:功率 T1:電晶體 T10:電晶體 T11:電晶體 T12:電晶體 T13:電晶體 T14:電晶體 T15:電晶體 T16:電晶體 T17:電晶體 T18:電晶體 T19:電晶體 T2:電晶體 T20:電晶體 T3:電晶體 T4:電晶體 T5:電晶體 T6:電晶體 T7:電晶體 T8:電晶體 T9:電晶體 V:控制電壓 V₁ :控制電壓 V₂ :控制電壓 V_m :電壓 V_M11 :電壓 V_M12 :電壓 V_M21 :電壓 V_M22 :電壓 V_x :電壓 V_x1 :電壓 V_x2 :電壓 x:數值 X:輸入向量 x₁ :數值 x₂ :數值 x₃ :數值 x₄ :數值 y:輸出數值 Y:輸出向量 y₁ :數值 y₂ :數值 φ₁ :相位 φ₂ :相位

將參照以下圖式來描述本申請案的各種態樣及實施例。應理解，圖式不一定是依比例繪製的。出現在多個圖式中的項目在出現該等項目的圖式中由相同的元件符號所指示。

圖1A是方塊圖，其繪示依據一些實施例的雙軌光學乘法器。

圖1B是流程圖，其繪示依據一些實施例用於使用雙軌光學乘法器來執行乘法的方法。

圖2A是圖解，其繪示依據一些實施例的可調諧定向耦合器。

圖2B是圖解，其更詳細地繪示依據一些實施例的圖2A的可調諧定向耦合器的一部分。

圖3是圖解，其繪示依據一些實施例的馬赫-曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder interferometer）。

圖4A-4D是方塊圖，其繪示依據一些實施例的額外的雙軌光學乘法器。

圖5是依據一些實施例的矩陣-向量乘法的表示。

圖6是依據一些實施例依據2x2配置來佈置的光子處理器的方塊圖。

圖7A是依據一些實施例依據4x4配置來佈置的光子處理器的方塊圖。

圖7B是圖解，其繪示依據一些實施例的分光器樹。

圖8是圖解，其繪示依據一些實施例的另一個分光器樹。

圖9A是方塊圖，其繪示依據一些實施例的可調變偵測器。

圖9B是方塊圖，其繪示依據一些實施例差分地佈置的一對可調變偵測器。

圖9C-9D是方塊圖，其繪示依據一些實施例的可調變偵測器的內部。

圖10A是方塊圖，其繪示依據一些實施例包括圖9A的可調變偵測器的光學乘法器。

圖10B是流程圖，其繪示依據一些實施例用於執行乘法的方法。

圖11是方塊圖，其繪示依據一些實施例包括圖9B的可調變偵測器的差分光學乘法器。

圖12A是依據一些實施例依據2x2配置來佈置的另一個光子處理器的方塊圖。

圖12B是依據一些實施例依據4x4配置來佈置的另一個光子處理器的方塊圖。

圖12C是圖解，其繪示依據一些實施例的分光器樹。

圖13是圖解，其繪示依據一些實施例的光電導體。

圖14A是依據一些實施例包括金屬氧化物半導體電容器（MOS電容器）的光電偵測器的俯視圖。

圖14B是依據一些實施例的圖14A的可調變偵測器的沿著BB線截取的橫截面圖。

圖14C是依據一些實施例沿著圖14B的CC線繪製的能帶圖。

圖15A-15E是繪圖，其繪示依據一些實施例的圖14A的可調變偵測器的示例響應率。

圖16A-16B是繪圖，其繪示依據一些實施例隨時間變化的光載流子濃度。

圖17是繪圖，其繪示依據一些實施例的可調變偵測器的示例電流/電壓特性。

圖18A-18H是電路圖，其繪示依據一些實施例的額外的可調變偵測器。

圖19A-19B是繪圖，其繪示依據一些實施例的與圖18E的可調變偵測器相關聯的示例響應率。

圖20A-20B是橫截面圖，其繪示依據一些實施例包括可調變偵測器的基板。

國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無

國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

10:光源

12:差分光學編碼器

17:控制器

18:數值單元

19:數位轉類比轉換器(D/A)

90:可調變偵測器

96:接收器

i_b:光電流

i_t:光電流

m:數值

P_b:功率

P_in:輸入功率

P_t:功率

V_m:電壓

V_x:電壓

x:數值

y:輸出數值

Claims (31)

1. 一種光子處理器，包括：複數個差分光學編碼器，包括第一差分光學編碼器及第二差分光學編碼器；一第一組差分乘法器，耦合到該第一差分光學編碼器；一第二組差分乘法器，耦合到該第二差分光學編碼器；一第一接收器，耦合到該第一組差分乘法器；及一第二接收器，耦合到該第二組差分乘法器。
2. 如請求項1所述的光子處理器，其中該複數個差分編碼器中的至少一者包括具有一對光學輸出端口的一光學調變器。
3. 如請求項1所述的光子處理器，其中該第一組差分乘法器及該第二差分乘法器中的至少一個差分乘法器包括具有一對光學輸出端口的一光學調變器。
4. 如請求項1所述的光子處理器，其中該第一組差分乘法器及該第二組差分乘法器包括可調變偵測器。
5. 如請求項1所述的光子處理器，進一步包括：一光學正交化單元，安置在該第一差分光學編碼器與該第一組差分乘法器之間。
6. 如請求項5所述的光子處理器，其中該光學正交化單元包括一蛇形光學波導器。
7. 如請求項5所述的光子處理器，其中該光學正交化單元包括一光學偏振旋轉器。
8. 如請求項1所述的光子處理器，進一步包括：一光源，及一分光器樹，該分光器樹將該光源耦合到該第一組差分乘法器。
9. 如請求項8所述的光子處理器，其中該分光器樹缺乏波導器交叉。
10. 如請求項1所述的光子處理器，進一步包括：一控制器，被配置為控制該複數個差分光學編碼器，其中該控制器包括複數個電晶體，且其中該複數個電晶體及該複數個差分光學編碼器共用一半導體基板的至少一個層。
11. 一種用於執行一數學運算的方法，該方法包括以下步驟：接收一輸入光學訊號；獲得一第一數值及一第二數值；藉由使用該第一數值修改該輸入光學訊號，來產生一編碼的光學訊號；至少部分地藉由以下步驟來產生一光電流：使用一可調變偵測器來偵測該編碼的光學訊號，及基於該第二值來設定該可調變偵測器的一特性；及使用該光電流來獲得該數學運算的一結果。
12. 如請求項11所述的方法，其中該可調變偵測器包括一光電偵測器，且其中基於該第二值來設定該可調變偵測器的該特性包括以下步驟：基於該第二值來設定該光電偵測器的一響應率。
13. 如請求項11所述的方法，其中獲得該結果包括以下步驟：獲得該第一數值乘以該第二數值的一乘積。
14. 如請求項11所述的方法，其中該可調變偵測器包括一控制電容器，且其中設定該可調變偵測器的該特性包括以下步驟：設定向該控制電容器施加的一電壓。
15. 如請求項14所述的方法，其中該控制電容器包括一金屬氧化物半導體電容器(MOS電容器)，且其中設定向該控制電容器施加的該電壓包括以下步驟：設定向該MOS電容器施加的該電壓。
16. 如請求項11所述的方法，其中設定該可調變偵測器的該特性包括以下步驟：產生載流子崩潰。
17. 如請求項11所述的方法，其中產生該編碼的光學訊號包括以下步驟：將該輸入光學訊號傳遞通過一光學調變器。
18. 如請求項11所述的方法，其中該可調變偵測器包括一光電偵測器及一電晶體，且其中設定該可調變偵測器的該特性包括以下步驟：設定向該電晶體施加的一電壓。
19. 如請求項11所述的方法，其中該可調變偵測器包括一光電偵測器及一增益級，且其中基於該第二值來設定該可調變偵測器的該特性包括以下步驟：基於該第二值來設定該增益級的一電流增益。
20. 一種配置為執行一數學運算的光子設備，該光子設備包括：一光學編碼器；一可調變偵測器，耦合到該光學編碼器的一輸出；及一控制器，耦合到該光學編碼器及該可調變偵測器，該控制器被配置為：獲得一第一數值及一第二數值；控制該光學編碼器藉由使用該第一數值修改一輸入光學訊號來產生一編碼的光學訊號；控制該可調變偵測器響應於接收到該編碼的光學訊號而產生一光電流，其中控制該可調變偵測器包括以下步驟：基於該第二數值來設定該可調變偵測器的一特性；及使用該光電流來獲得該數學運算的一結果。
21. 如請求項20所述的光子設備，其中該可調變偵測器包括一光電偵測器，且其中基於該第二值來設定該可調變偵測器的該特性包括以下步驟：基於該第二值來設定該光電偵測器的一響應率。
22. 如請求項20所述的光子設備，其中該可調變偵測器包括一光吸收區域及定位在該光吸收區域附近的一控制電容器。
23. 如請求項22所述的光子設備，其中該控制電容器包括一金屬氧化物半導體電容器(MOS電容器)。
24. 如請求項23所述的光子設備，其中該可調變偵測器進一步包括定位在該MOS電容器附近的一電子崩潰區域。
25. 如請求項20所述的光子設備，其中該可調變偵測器包括：一第一光電偵測器及一第二光電偵測器；第一電晶體及第二電晶體，兩者都耦合到該第一光電偵測器；及第三電晶體及第四電晶體，兩者都耦合到該第二光電偵測器。
26. 如請求項25所述的光子設備，其中該第一光電偵測器耦合到該第一電晶體及該第二電晶體的相應的源極，且其中該第一電晶體及該第三電晶體具有彼此耦合的汲極。
27. 如請求項25所述的光子設備，其中該第一電晶體及該第三電晶體被佈置為一反相器，且其中該第一光電偵測器耦合到該第一電晶體及該第二電晶體的相應的源極。
28. 如請求項25所述的光子設備，其中該第一光電偵測器進一步耦合到該第三電晶體及該第四電晶體，而該第二光電偵測器則進一步耦合到該第一電晶體及該第二電晶體，且其中該第一電晶體及該第二電晶體具有彼此耦合的汲極及彼此耦合的源極。
29. 如請求項20所述的光子設備，其中該可調變偵測器包括：一第一光電偵測器及一第二光電偵測器；第一電晶體及第二電晶體，兩者都耦合到該第一光電偵測器；及一節點，耦合到該第一光電偵測器及該第二光電偵測器，且進一步耦合到該第一電晶體及該第二電晶體。
30. 如請求項20所述的光子設備，其中該可調變偵測器包括一光電偵測器及複數個電晶體，且其中該光電偵測器及該複數個電晶體形成於一共同的半導體基板上。
31. 如請求項20所述的光子設備，其中該可調變偵測器包括差分地佈置的複數個平衡的光電偵測器及複數個電晶體。