光子集成电路及其制造方法、光子计算系统、光子计算芯片与流程

1.本发明涉及半导体领域，更为具体而言，涉及光子集成电路及其制造方法、光子计算系统、光子计算芯片。


背景技术：

2.在一些场景下，光子集成电路中集成有定向耦合器。定向耦合器是一种可以将光的能量进行分配的光子器件，其通常包括两个波导臂，两个波导臂在耦合区内间隔较近的距离，使得一个波导臂上的光能(光功率)可以耦合到另一波导臂上。定向耦合器一般按照一定的分光比例制造，为了获得不同分光比的定向耦合器，可以通过改变定向耦合器的耦合区中波导臂的长度、间距或者定向耦合器的其它几何特征实现。
3.在光子计算技术、光互连技术中，采用光子器件或光子集成电路等作为硬件基础，器件或者光子集成电路的稳定性、能耗以及制造的复杂性、成本等是需要考虑的因素。


技术实现要素：

4.本发明提供了光子集成电路及其制造方法、光子计算系统、光子计算芯片。
5.在一个示例性的实施方式中，提供一种光子集成电路，包括：第一定向耦合器，其包括第一臂以及第二臂，所述第一定向耦合器的第一臂以及第二臂分别包括第一波导耦合段以及第二波导耦合段，并且所述第一定向耦合器的第一臂与第二臂的光输出强度不同，其第一臂与第二臂的光输出强度比例为第一分光比例，其中，该第一定向耦合器的第一臂、第二臂的至少一个包括金属半导体化合物材料，该第一定向耦合器的金属半导体化合物材料的分布对第一分光比例分配具有贡献；还包括第二定向耦合器，其包括第一臂以及第二臂，所述第二定向耦合器的第一臂以及第二臂分别包括第一波导耦合段以及第二波导耦合段，所述第二定向耦合器的第一臂与第二臂的光输出强度不同，其第一臂与第二臂的光输出强度比例为第二分光比例，其中，该第二定向耦合器的第一臂、所述第二臂的至少一个包括金属半导体化合物材料，该第二定向耦合器的金属半导体化合物材料的分布对第二分光比例分配具有贡献；其中，第一分光比例与第二分光比例不同。
6.在一些实施方式中，所述第一定向耦合器的第一臂包括第一金属半导体化合物层，使得所述第一定向耦合器的第一臂、所述第二臂的至少一个包括金属半导体化合物材料；所述第二定向耦合器的第一臂包括第二金属半导体化合物层，使得所述第二定向耦合器的第一臂、所述第二臂的至少一个包括金属半导体化合物材料。
7.在一些实施方式中，所述第一定向耦合器包括波导主体层，所述第一金属半导体化合物层设置于所述第一定向耦合器的第一波导耦合段中的波导主体层的上方和/或侧壁。
8.在一些实施方式中，所述第一金属半导体化合物层由金属材料与半导体材料经过热处理而得到。
9.在一些实施方式中，所述光子集成电路基于绝缘体上半导体层而形成。
10.在一些实施方式中，所述光子集成电路基于绝缘体上硅而形成。
11.在一些实施方式中，所述金属半导体化合物材料包括硅或锗中的至少一种半导体元素。
12.在一些实施方式中，所述金属半导体化合物材料包括镍、钴、钛、钨、钽、铂、钯和铒中的至少一种金属元素。
13.在一个示例性的实施方式中，提供一种光子集成电路的制造方法，所述光子集成电路包括多个定向耦合器，所述多个定向耦合器中的每一个包括第一臂以及第二臂，所述定向耦合器的分光比例为第一臂的出光强度与第二臂的出光强度之比，其中，所述第一臂及第二臂分别包括第一波导耦合段、第二波导耦合段；所述制造方法包括：形成所述多个定向耦合器中的每一个定向耦合器的第一臂的波导主体层以及第二臂的波导主体层；根据分光比例形成金属半导体化合物区域，使得所述第一臂、所述第二臂的至少一个包括金属半导体化合物材料，所述金属半导体化合物材料的分布对分光比例分配具有贡献。
14.在一些实施方式中，所述多个定向耦合器包括第一定向耦合器、第二定向耦合器，所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器具有不同的分光比例。
15.在一些实施方式中，所述形成金属半导体化合物区域，包括在所述第一定向耦合器的第一波导耦合段中的波导主体层上方和/或侧壁形成第一金属半导体化合物层，以及在所述第二定向耦合器的第一波导耦合段的波导主体层上方和/或侧壁形成第二金属半导体化合物层。
16.在一些实施方式中，所述形成金属半导体化合物区域，包括：形成初始波导层，述初始波导层包括半导体材料；形成金属材料层；使得所述初始波导层的所述半导体材料的一部分与所述金属材料层中的金属材料反应，形成所述金属半导体化合物区域；其中，所述波导主体层包括未与所述金属材料层发生反应的初始波导层。
17.在一些实施方式中，所述形成金属半导体化合物区域，包括：在所述波导主体层上形成半导体材料层；形成金属材料层；使得所述金属材料层与所述半导体材料层发生反应，形成所述金属半导体化合物区域。
18.在一些实施方式中，所述金属半导体化合物材料包括硅或锗中的至少一种半导体元素。
19.在一些实施方式中，所述金属半导体化合物材料包括镍、钴、钛、钨、钽、铂、钯和铒中的至少一种金属元素。
20.在一些实施方式中，所述金属半导体化合物材料包括硅或锗中的至少一种半导体元素。
21.在一些实施方式中，光子集成电路的制造方法，所述金属半导体化合物材料包括镍、钴、钛、钨、钽、铂、钯和铒中的至少一种金属元素。
22.在一个示例性的实施方式中，提供一种光子计算系统，其包括光子集成电路，所述光子计算系统包括:光子计算单元，被配置为接收第一多个光信号，所述第一多个光信号对应表示第一组多个数值；所述光子计算单元包括多个权重模块，所述多个权重模块对应表示多个预设数值，每一个所述权重模块对应一个预设数值，每一个所述权重模块包括：光输入部，所述光输入部被配置为接收所述第一多个光信号中的1个光信号，以及至少一个定向耦合器，其中的每一个定向耦合器被设计为实现预设的分光比，以使得所述权重模块对应
一个所述预设数值，并能够用于执行所述光输入部输入的1个光信号对应的1个数值与1个权重模块对应的1个预设数值的乘法运算；其中，所述多个权重模块包括第一权重模块以及第二权重模块，所述第一权重模块中的所述至少一个定向耦合器包括所述第一定向耦合器，所述第二权重模块中的所述至少一个定向耦合器包括所述第二定向耦合器。
23.在一些实施方式中，根据所述权重模块对应的所述预设数值，所述至少一个定向耦合器在制造阶段被配置，使其具有与权重模块预设数值相关联的分光比。
24.在一些实施方式中，所述光子计算单元包括一个或多个求和模块，并且对于两个或更多个权重模块的输出，相应的一个求和模块被配置以产生电信号，所述电信号表示两个或更多个权重模块对应的乘法运算结果的总和。
25.在一些实施方式中，提供一种光子计算芯片，包括光子集成电路。
26.在一些实施方式中，所述第一定向耦合器的第一分光比例与第一数值相关联，所述第二定向耦合器的第二分光比例与第二数值相关联，所述第一数值、所述第二数值用于计算。
27.在一些实施方式中，包括光子计算单元，被配置为接收第一多个光信号，所述第一多个光信号对应表示第一组多个数值；所述光子计算单元包括多个权重模块，所述多个权重模块对应表示多个预设数值，每一个所述权重模块对应一个预设数值，每一个所述权重模块包括：光输入部，所述光输入部被配置为接收所述第一多个光信号中的1个光信号，以及至少一个定向耦合器，其中的每一个定向耦合器被设计为实现预设的分光比，以使得所述权重模块对应一个所述预设数值，并能够用于执行所述光输入部输入的1个光信号对应的1个数值与1个权重模块对应的1个预设数值的乘法运算；其中，所述多个权重模块包括第一权重模块以及第二权重模块，所述第一权重模块中的所述至少一个定向耦合器包括所述第一定向耦合器，所述第二权重模块中的所述至少一个定向耦合器包括所述第二定向耦合器。
28.在一些实施方式中，根据所述权重模块对应的所述预设数值，所述至少一个定向耦合器在制造阶段被配置，使其具有与权重模块预设数值相关联的分光比。
29.在一些实施方式中，其特征在于，所述第一多个光信号用于表示向量中的一个或多个元素，所述多个权重模块用于表示矩阵中的多个元素。
30.根据本发明的一个方面，当需要改变定向耦合器的分光比例时，通过设计合适的金属半导体化合物层的区域即可实现，而无需改变定向耦合器的初始波导层(或波导主体层)以及关联的光子器件，或者无需进行较多的重新设计，也不需要对整个光子集成电路进行过多重新设计或布局。示例性的，本发明可用于光子集成电路中具有不同需求分光比例的定向耦合器的情形。示例性的，可以通过掩膜版设置对应的金属半导体化合物层的形成区域，从而，只需调整与其相应的掩膜版即可改变定向耦合器的分光比例。
31.本发明实施方式的各个方面、特征、优点等将在下文结合附图进行具体描述。根据以下结合附图的具体描述，本发明的上述方面、特征、优点等将会变得更加清楚。
附图说明
32.图1a示出了光子集成电路中的一个定向耦合器的俯视图；
33.图1b示出了图1a中对应波导耦合区某一位置的光子集成电路的剖视图；
34.图2a-图2c示出了光子集成电路制造中的一些状态；
35.图3-5示出了金属半导体化合物材料的分布；
36.图6a示出了一种光子计算系统；
37.图6b示出了一种光子计算系统的具体示例；
38.图7示出了采用定向耦合器作为权重模块；
39.图8示出了一种光子计算系统；
40.图9示出了权重模块包括两个定向耦合器；
41.图10示出了权重模块包括一个mmi(多模干涉耦合器)；
42.图11示出了权重模块包括两个mmi。
具体实施方式
43.为了便于理解本发明技术方案的各个方面、特征以及优点，下面结合附图对本发明进行具体描述。应当理解，下述的各种实施方式只用于举例说明，而非用于限制本发明的保护范围。
44.在光子集成电路中，定向耦合器是一种可以将光的能量进行分配的器件，在一些场景下，光子集成电路中包括定向耦合器，定向耦合器一般按照一定的分光比例制造。本发明人发现，在需要获得新的分光比例时通常会根据新的需求进行制造，往往需要改变定向耦合器的耦合区中波导臂的长度、间距或者定向耦合器的其它几何特征，在光子器件集成或互连时，与之关联的结构、器件或者光子集成电路的整体布局都会随之改变，这大大增加了设计、制造的成本和难度。例如，在半导体工艺中，制造器件或者多个器件的集成产品时，通常需要多个掩膜版，可能需要改变多个掩膜版的设计，才能完成相关定向耦合器的制造，还可能会因为定向耦合器几何尺寸的改变，可能需要对其它器件或结构进行重新布局。
45.光子集成电路可用在光子计算技术、光互连技术中。现有的一些光子计算中，实现乘法计算时需要使用调制器，调制器在工作时需要外加电信号，在大规模集成时则需要大量电学接口，调制器还可能存在调制精度低、噪声大等问题，另外，在实现光子计算时，一些光子器件互连网络对整个网络中光的相干性要求比较高。
46.在一个示例性的实施例中，提供一种光子集成电路及其制造方法。
47.图1a示出了光子集成电路中的一个定向耦合器的俯视图，定向耦合器具有第一臂105、第二臂106，定向耦合器包括光耦合区，光的能量可在光耦合区内发生重新分布，在定向耦合器的耦合区内，第一臂105包括第一波导耦合段105a，第二臂106包括第二波导耦合段106a。示例性的，第一臂105还包括与第一波导耦合段105a连接的第一光输入部105p、第一光输出部105q，第二臂106包括与第二波导耦合段106a连接的第二光输入部106p、第二光输出部106q。第一臂、第二臂的各部分具有波导主体层，图1b示出了图1a中对应波导耦合区某一位置(虚线处)的光子集成电路的剖视图，其示出了该第一臂105的波导主体层107以及金属半导体化合物层109，以及第二臂的波导主体层108。所述金属半导体化合物层109设置于所述波导主体层107上方，金属半导体化合物层109的分布区域可结合需要而设置。在一些实施例中，第一光输入部105p、第一光输出部105q的波导主体层可不设置金属半导体化合物层。光子集成电路可基于绝缘层上的半导体层制造，例如绝缘体上的硅衬底，图1b中示出了绝缘体上的硅衬底中的背衬底101、绝缘层102，其中波导主体层可以基于刻蚀以及其
它工艺步骤形成。
48.光子集成电路中可包括多个定向耦合器，例如第一定向耦合器，第二定向耦合器，其中，第一定向耦合器、第二定向耦合器分别具有第一分光比例、第二分光比例，第一定向耦合器、第二定向耦合器的分光比例不同，其中，定向耦合器的分光比例为第一臂的出光强度与第二臂的出光强度之比。如图 1b，示例性的，第一定向耦合器第一臂、第二臂的出光强度不同；此外，也可根据需要，对第二定向耦合器设置合适的金属半导体化合物层，使得第二定向耦合器第一臂、第二臂的出光强度不同。
49.如图2a所示，具体的，光子集成电路可基于绝缘体上的半导体层制造，例如绝缘体上硅(soi，silicon-on-insulator)、绝缘体上层叠锗化硅(s
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sigeoi)等，此外，也可以提供其它衬底用于制造光子集成电路，衬底材料可以是：硅、锗、碳化硅、砷化镓、磷化镓，可以是化合物半导体，也可以是合金半导体等，也可以是上述材料的组合。衬底可以是晶圆，例如soi晶圆。以绝缘体上硅(soi，silicon-on-insulator)衬底为例，包括提供soi 衬底，所述soi衬底包括背衬底、绝缘层以及顶层硅。示例性的，绝缘层为埋氧层。其中，图2a示出了背衬底101、绝缘层102以及顶层硅103。其中，背衬底可以是晶圆，例如硅晶圆。
50.在形成光子集成电路的步骤中，可包括基于所述soi衬底形成光子器件层，光子器件层包括各种类型的光子器件，例如波导、光栅耦合器、光调制器、定向耦合器、多模干涉器(multi-mode inferometer，mmi)、光电探测器、光分束器等。可通过基于顶层硅进行光刻、刻蚀、图案化等步骤，以及沉积、掺杂步骤形成光子器件。在形成光子器件时，可包括沉积不同类型的半导体材料以及金属材料。
51.示例性的，光子集成电路包括定向耦合器，定向耦合器包括光耦合区，光的能量可在光耦合区内发生重新分布，定向耦合器包括第一臂、第二臂，在定向耦合器的耦合区内，第一臂、第二臂分别包括第一波导耦合段、第二波导耦合段，第一波导耦合段、第二波导耦合段可分别连接各自的光输入部、光输出部，示例性的，可根据光的输入输出需要而保留光输入部、光输出部。
52.图2b中示出了刻蚀图1a中的顶层硅103，形成一个定向耦合器的第一臂以及第二臂的初始波导层104。光子集成电路中存在多个定向耦合器时，可形成其中每一个的第一臂、第二臂的初始波导层104。在一些实施方式中，初始波导层104可以是非对称的，初始波导层也可以是弯曲波导层。
53.图2c中，示出了在定向耦合器的一个臂105中形成金属半导体化合物层 109，图2c中还示出了定向耦合器的第一臂105具有波导主体层107，以及第二臂106具有波导主体层108，第一臂105的波导主体层107、第二臂的波导主体层108可以直接由初始波导层构成或者基于初始波导层而形成。在图2c中，金属半导体化合物层109位于第一臂105的波导主体层107的上方。金属半导体化合物层可由金属材料与半导体材料反应生成，作为一个示例，可通过对半导体材料层以及金属材料层进行热处理，从而形成金属半导体化合物层，金属材料层可以包括镍、钴、钛、钨、钽、铂、钯和铒的至少一种，半导体材料层可以包括硅或锗的至少一种。示例性的，形成的金属化合物半导体层可以是例如金属硅化物层。形成金属半导体化合物层的可以通过常规的cmos 工艺实现，从而能够实现大规模、低成本的光子集成。金属半导体化合物材料的分布区域可以不限于第一臂/第二臂的波导耦合段内的波导主体层，也可以延伸至其它区域，应指出，一些其它区域的金属半导体化合物材料可能对分光的
贡献较小或者并不产生贡献。
54.在一些实施例中，可通过金属材料与初始波导层中的半导体材料反应而形成金属化合物半导体层。示例性的，通过诸如刻蚀工艺产生如图2b所示的初始波导层104，图2b中的初始波导层104可以含有半导体材料例如硅，示例性的，可以在初始波导层104上形成镍材料层(图2b中未示出)，然后进行热处理，使得初始波导层的一部分硅材料与镍材料进行反应，从而形成如图 2c中所示的金属半导体化合物层109。可通过控制反应条件而使得镍材料基本完全反应，当然，金属化合物半导体层周围亦可有残留的镍金属材料。其中，未反应的初始波导层构成波导主体层107，定向耦合器的第一臂105包括波导主体层107以及金属化合物半导体层109。
55.如图3所示，在一些实施方式中，可采用初始波导层直接作为第一臂105 的波导主体层107以及第二臂106的波导主体层108。接着在波导主体层上分别形成半导体材料、金属材料，通过半导体材料与金属材料的反应形成金属半导体化合物层。示例性的，第一臂的波导主体层107为硅波导主体层，在其上方形成锗材料，然后在锗材料层上方形成金属材料层，通过锗材料与金属层的反应形成金属锗化物层，构成金属半导体化合物层109。
56.在一些实施例中，波导主体层的侧壁也可设置金属半导体化合物层。可选的，金属半导体化合物层也可以设置在波导主体层周围的区域，或者金属半导体化合物层自波导主体层的上方和/或侧壁延伸至波导主体层周围区域。如图4，示例性的，金属半导体化合物层109可设置在第一臂105的第一波导耦合段的波导主体层107的上方和侧壁，并且金属半导体化合物层109还延伸至波导主体层107的周围区域。
57.如图5，第一臂105、第二臂106均可设置有金属半导体化合材料，可根据需要设置它们的分布区域，在第一臂105、第二臂106分别设置金属半导体化合物层。示例性的，第一臂105中金属半导体化合物材料的分布长度l0、宽度w0，第二臂106中的金属半导体化合物材料的分布可以与第一臂105不同。示例性的，如图5，第二臂106中金属半导体化合物层的宽度可以与第二臂波导主体层(或初始波导层)的宽度不同，当然第一臂也可以类似设置。在一些实施例中，根据需要可在第一臂、第二臂中的至少一个中形成金属半导体化合物材料，金属半导体化合物材料实质性影响对应第一臂、第二臂中的光波的传播，从而改变定向耦合器的分光特性，亦即金属半导体化合物材料的分布对定向耦合器分光比例具有贡献。
58.在本发明各实施例中，定向耦合器的分光比例定义为定向耦合器的第一臂的出光强度与第二臂的出光强度的比，使得可以设置100％：0％～0％：100％之间的分光比例，例如30％：70％，40％：60％，80％:20％。其中金属半导体化合物层构成了分光配置层，从而可以调整分光配置层而实现所需分光比例。
59.在一些实施方式中，光子集成电路可包括多个定向耦合器，该多个定向耦合器中的每一个均包括第一臂、第二臂，示例性的，该多个定向耦合器的个数是4，即第1至第4定向耦合器，该多个定向耦合器中的每一个均包括金属半导体化合物材料，以实现所需的分光比例，当然除了上述多个定向耦合器(第1至第4定向耦合器)，光子集成电路也可以包括其它定向耦合器，例如第5～6定向耦合器，它的分光比不需要设置金属半导体化合物材料调节。示例性的，第1～4定向耦合器可以构成光子计算单元的一部分，或者光子计算芯片的一部分。根据功能需要第1～6定向耦合器也可以作为光子计算单元的一部分，或者光子计算芯片的一部分。当提到光子集成电路“包括”多个定向耦合器时，“包括”一词的含义是指除
了提到的上述“多个定向耦合器”，光子集成电路还可以具有其它定向耦合器。
60.在一个示例性的实施例中，多个定向耦合器中包括第一定向耦合器、第二定向耦合器，其中，第一定向耦合器，第二定向耦合器具有不同的分光比例。不限于此，进一步的，示例性的还可包括第三定向耦合器，第四定向耦合器，第一至第四定性耦合器各自波导臂的耦合段可以具有相同的长度，可以通过设置合适的金属半导体化合物层而设置各定向耦合器所的分光比例。
61.根据本发明各实施例，当需要改变定向耦合器的分光比例时，通过设计合适的金属半导体化合物层的区域即可实现，而无需改变定向耦合器的初始波导层(或波导主体层)以及关联的光子器件，或者无需进行较多的重新设计，也不需要对整个光子集成电路进行过多重新设计或布局。示例性的，本发明可用于光子集成电路中具有不同需求分光比例的定向耦合器的情形。示例性的，可以通过掩膜版设置对应的金属半导体化合物层的形成区域，从而，只需调整与其相应的掩膜版即可改变定向耦合器的分光比例。
62.在一些实施方式中，光子集成电路可以用在光子计算中，光子计算单元可以包括本文各实施例中的列举的定向耦合器，示例性的，在光子计算的权重模块(乘法模块)中，定向耦合器被设计为实现预设的分光比，使得一个权重模块对应一个预设数值，并能够用于执行权重模块的光输入部输入的1 个光信号对应的1个数值与1个权重模块对应的1个预设数值的乘法运算。示例性的，光子计算单元可以包括多个权重模块，以代表不同的预设数值，可以制造多个权重模块中各自定向耦合器的合适分光比例，而实现预设数值。
63.在一个示例性的实施例中，提出了一种光子计算系统，包括:光子计算单元，被配置为接收第一多个光信号，所述第一多个光信号对应表示第一组多个数值；所述光子计算单元包括多个权重模块，所述多个权重模块对应表示多个预设数值，每一个所述权重模块对应一个预设数值。其中，每一个所述权重模块包括:光输入部(光信号输入部)，所述光输入部被配置为接收所述第一多个光信号中的1个光信号；以及至少一个定向耦合器，其中的每一个定向耦合器被设计为实现预设的分光比，和/或至少一个mmi，其中的每一个mmi被设计为实现预设的分光比，以使得所述权重模块对应一个所述预设数值，并能够用于执行所述光输入部输入的1个光信号对应的1个数值与 1个权重模块对应的1个预设数值的乘法运算。权重模块中，可以包括定向耦合器、mmi，可以设计定向耦合器、mmi的结构，以实现预设的分光比，使得它们能与权重模块对应预设的数值相关联。其中定向耦合器、mmi是无源器件，不需要外加电信号调节分光比，制造工艺也简单，它们的分光比被设计为与权重模块对应的预设数值相关，可以适用于预设的固定数值的权重模块的情形，利用上述分光器件实现被动分光，在光子计算中，具有稳定分光、抗干扰、非线性效应小、无静态功耗等优势。光在输入权重模块时，是根据定向耦合器、mmi等无源器件作为分光器件，来表示对应的权重模块的数值，上述分光器件实现了被动分光，无需采用电调制进行分光计算，避免了过多的电学接口。在一些实施例中，光子计算系统还可包括光编码单元、光复制模块。
64.图6a示出了一种光子计算系统600，其包括光编码单元610，复制单元 620，以及光子计算单元630。示例性的，光编码单元可包括多个调制器，调制器可根据数值对光进行编码，图6b示出了光编码单元中的调制器601a、 601b。光编码单元光学连接复制单元，复制单元可包括一个或多个复制模块，复制模块示例性的包括分束器，可将输入复制模块的光分成两束或者更多束的光，即进行“复制”操作，从而产生光副本，所述光副本可以作为第一多
个光信号，图6b示出了一个复制单元中的复制模块602a、602b。光子计算系统还包括光子计算单元，被配置为接收第一多个光信号，所述第一多个光信号对应表示第一组多个数值。所述光子计算单元包括多个权重模块，示例性的如图6b中的权重模块603a、603b、603c、603d、603e、603f，所述多个权重模块603a～603f对应表示多个预设数值，每一个所述权重模块对应一个预设数值，每一个所述权重模块包括：光输入部，所述光输入部被配置为接收第一多个光信号中的1个光信号；至少一个定向耦合器，和/或至少一个 mmi(图6a和图6b未示)，所述定向耦合器、所述mmi被设计为实现预设的分光比，以使得所述权重模块对应一个所述预设数值，并用于实现所述1个光信号对应的1个数值与1个权重模块对应的1个预设数值的乘法运算。
65.复制模块的输出信号不一定具有与输入信号相同的幅度。举例来说，例如采用光分束器(光功率分离器)在两个输出信号之间均匀地分离输入信号功率，则两个输出信号中的每一个将具有等于或小于输入信号功率的50％的功率。
66.在一些情况下，复制模块或者光编码单元是可以省略的，承载有数值的光信号可以直接通过一些光学端口输入光子计算单元；另外，光编码单元输出的光信号也可以直接输入光子计算单元。
67.光编码单元可以对光进行编码，使得光信号代表数值。经编码后的光信号可以输入光子计算单元，以作为计算的数据来源。例如，光编码单元可以对n个数值进行编码，产生对应的n个光信号。示例性的，光子计算单元包括多个权重模块，n个光信号可以被分别输入其中对应的n个权重模块，以进行计算。光编码单元可以包括例如多个调制器，基于代表数值的电信号而对光进行调制，从而编码产生初始光信号。在光子计算系统中，除了上述光子计算单元，可以包括其它光子计算单元，例如第二光子计算单元，第三光子计算单元，不同的光子计算单元中的计算模块可以不同，实现的功能也可以不同。
68.光子计算单元除了包括上述多个权重模块(用于与多个预设数值一一对应)，也可以包括其它能实现光子计算的结构或者光子计算模块，例如采用 mzi(mach
–
zehnder interferometer,马赫-曾德尔干涉仪)进行计算的光子计算模块。
69.图7示出了一个权重模块200，其具有两个输入部201a、201b以及两个输出部202a、202b。该示例中示出了采用一个定向耦合器作为一个权重模块的示意图，图中的定向耦合器包括2输入部以及2输出部，在该实施例中，定向耦合器的任意一个输入部，均可以作为权重模块的输入部，或者与权重模块的输入部通信，以接收光信号。权重模块的一个输入部例如第一输入部 201a接收光信号，该光信号被对应为一个数值，例如x，该光信号可以具有不同的强度，从而对应不同的数值。权重模块本身被设计为对应预设数值 (预设权重)例如y，具体的，定向耦合器被设计为实现预设的分光比。在一些实施例中，权重模块的只需要一个输入部进行输入，因此，权重模块可以只有一个输入部，只需保留定向耦合器的一个输入部。在一些实施例中，权重模块也可以只有一个输出部。
70.权重模块中的定向耦合器可以采用本文各实施例的各定向耦合器，在定向耦合器中设置金属化合物半导体材料，从而根据需要设置定向耦合器的分光比例。在光子计算时，通常涉及多个不同数值，本发明实施例中的定向耦合器适用于不同的分光比例，从而制造不同数值对应的光子计算结构。
71.示例性的，通过接收定向耦合器的至少一个输出部的输出，可以得到对应的x与y
乘法计算结果。在该示例中，通过1个定向耦合器即可实现1个权重模块。该权重模块被配置为实现1个输入光信号所代表的1个数值与1 个权重模块所代表的1个数值的乘法运算。其中，定向耦合器是无源光学元件，无需像调制型mzi采用电信号调节光的分配，制造工艺也简单，其分光比被设计为与权重模块对应的预设数值相关，可以适用于固定数值的权重模块的情形。示例性的，对于需要进行乘法计算的计算单元(光子计算单元) 或者光子处理器，均可以包括多个权重单元。根据需要，光子计算系统可以包括光子计算单元或者光子处理器，以实现诸如乘法计算功能。
72.在一些实施例中，定向耦合器的耦合区被设计为实现预设的分光比，通过设计耦合区结构的长度、波导宽度、耦合间隙宽度、材料等，实现所需的不同的分光比例，(可以将定向耦合器设置为对应为所需要的预设数值)，从而将权重模块配置为对应一个数值。根据一个权重模块对应的所述预设数值，权重模块中的每一个所述定向耦合器在制造阶段被配置，使其具有与权重模块相关联的分光比。
73.在图7所示的实施例中，在一些实施例中，权重模块的预设数值可以为 0～1的预设数值，并将其定义为定向耦合器的两个输出部中的一个(例如图 7中位于上方的输出部)的输出光与一个输入部的输入光的比例，并根据这一规则而设计定向耦合器的分光比，当预设数值为1时，对应输出光与输入光的功率之比为1，预设数值为0.3时，对应输出光与输入光的功率之比为 0.3。如果将该定向耦合器的两个输出部的光信号分别转换成电信号，并进行差分处理后以电信号输出，还可以定义负数的预设数值。差分处理的例子可以参见中国专利公开cn113159305a第595段至第621段，或者美国专利公开us20200250532a1第566段至第635段。
74.当存在多个权重模块时，按照相同的规则定义权重模块的预设数值并设计定向耦合器对应分光比例，权重模块所代表的预设数值(权重)的范围也不仅限于0～1之间。例如，光子计算单元包括4个权重模块，它们所需要代表的预设数值(预设权重)分别是b1＝3,b2＝4,b3＝7,b4＝8，每个权重模块可由1个定向耦合器实现，可以根据规则制造定向耦合器的一个输出部相对于输入部的光功率的比值分别为0.3,0.4,0.7以及0.8，即对应定向耦合器的分光比是30％:70％,40％:60％,70％:30％，80％:20％，从定向耦合器的对应的输出部获得输出光的信息，并根据输出光与预设数值的对应关系，按照相应的规则就可以得到乘法计算的结果，从而，权重模块能够实现输入光所代表的数值与所述预设数值的计算。虽然权重模块是按照预设数值设计的并表示预设数值的乘法，对于多个权重模块，其也能够表示输入光与每个对应权重模块乘积再乘以一个相同缩放因子的计算，例如对于希望用权重模块对应表示 b1’＝30,b2’＝40,b3’＝70,b4’＝80时，其仍然可以通过预设数值b1＝3,b2＝4, b3＝7,b4＝8对应制造的权重模块完成乘法计算，此时只需在数学规则上重新定义预设数值与分光比的对应关系，这并不需要改变权重模块的结构，权重模块实现的乘法计算是等效的。因此，具有权重模块实现的预设数值的乘法运算，可以被认为包括上述等效的乘法运算。
75.在一些实施方式中，第一多个光信号可以用于表示一个向量中的一个元素或者多个元素。多个权重模块可以用于对应矩阵中的多个元素，从而完成至少一部分矩阵与向量乘法的运算，当然，也可以采用上述方式完整的向量与矩阵的运算。第一多个光信号、权重模块均可以代表向量、矩阵中的元素，因此，这些操作表示可以执行各种计算的一组通用线
性操作，包括但不限于：向量-向量点积(vector-vector dot product)、向量-向量逐元素乘法(vector
‑ꢀ
vector element-wise multiplication)、向量-标量逐元素乘法(vector-scalarelement wise multiplication)、或矩阵-矩阵逐元素乘法(matrix-matrix element
‑ꢀ
wise multiplication)。此处所述的一些示例显示了用于向量-矩阵乘法的技术和配置，但是相应的技术和配置可以用于这些类型的计算中的任何一者。
76.在一些实施方式中，可以通过对定向耦合器的光输出部的光进行探测，以获得对应的光信号参数，得到乘法计算的乘法结果。示例性的，权重模块可包括光电转换元件，光电转换元件其可以包括例如光电探测器，光电探测器可以是光电二极管、光电晶体管、光敏电阻器等，将光信号转换为电信号，以电信号表示对应的乘法计算结果。示例性的，定向耦合器的第一输出部和第二输出部的光信号首先被分别转换为电流信号。示例性的，电信号可以作为权重模块的输出，例如通过光电二极管转换输出的电流信号。
77.在一些实施方式中，定向耦合器的第一输出部和第二输出部的光信号首先被分别转换为电流信号，然后对电流信号进行差分处理，差分处理可以采用例如差分运算放大器，以差分处理后的电信号代表乘法计算的结果。示例性的，权重模块包括第一光电转换元件、第二光电转换元件，定向耦合器的第一输出部和第二输出部分别耦合至第一光电转换元件、第二光电转换元件，第一光电转换元件、第二光电转换元件的输出部分别作为权重模块的两个输出部，亦即权重模块可以具有电信号输出部，权重模块的第一输出部、第二输出部可以是第一电信号输出部、第二电信号输出部。在一些实施方式中，定向耦合器的第一输出部和第二输出部可以分别作为权重模块的两个输出部，即权重模块以光学信号输出，权重模块的两个输出部分别连接光电转换元件，转换为电信号后再进行差分处理。
78.图8示出了光子计算系统的一个示例。在该实施例中，待计算的光信号可以通过多个输入端口(如图8所示)，或者以其它方式经由光传输通道输入多个权重模块，光传输通道可以是例如光波导，可以构成光波导单元。
79.参照图8，光电计算系统1800的示例包括提供光信号的一组光学端口1802a、1802b等。举例来说，在一些实施例中，光学端口1802a可包括光输入耦合器，其提供耦接到光路径1803的光信号。在其他实施例中，光学端口 1802a可接收耦接到光路径1803的光信号。一些实施例可以包括将光信号耦接到系统1800中的端口和在系统1800内产生光信号的源的组合。光信号可包括已经或正在使用各种形式的调制中的任何一种来利用信息进行调制的任何光波(例如电磁波，其频谱包括在大约100nm和大约1mm之间的范围内的波长)。光路径1803可以例如基于光波导(例如：嵌入光子集成电路(pic)或光纤中的波导)的引导模式来定义，或者基于光学端口1802a与系统1800的另一模块之间的预定自由空间路径来定义。
80.在一些实施例中，光电计算系统1800被配置以对在藉由光学端口1802a、 1802b等所提供的相应光信号上编码的输入值阵列执行计算。举例来说，对于基于神经网络的各种机器学习应用，计算可以实现向量矩阵乘法(或向量对矩阵乘法(vector-by-matrix multiplication))，其中输入向量乘以矩阵以产生输出向量作为结果。光信号可以表示向量的元素，可能仅包括向量的所选元素的子集。举例来说，对于一些神经网络模型，在计算中使用的矩阵的大小可以大于可以加载到执行计算的向量矩阵乘法部分的硬件系统(例如，较大系统的引擎或协处理器)中的矩阵的大小。因此，执行计算的一部分可以涉及将矩阵和向量分成可以分别提供给硬件系统的较小片段(segment)。
81.图8中所显示的模块可以是对例如64
×
64元素矩阵的相对较大的矩阵(或子矩阵)执行向量矩阵乘法的较大系统的一部分。但是，出于说明的目的，将在使用2
×
2元素矩阵执行向量矩阵乘法的示例计算的上下文中描述模块。在该示例中引用的模块将包括两个复制模块1804a和1804b，四个权重模块 1806a、1806b、1806c以及1806d，以及两个求和模块，其中仅一个求和模块 1808在图8中显示。这些模块将使输入向量乘以矩阵以产生输出向量对于该向量矩阵乘法输出向量的两个元素中的每一个可以由不同的等式表示，如下所示。
82.ya＝maxa+mbxb83.yb＝mcxa+mdxb84.这些等式可以分解为可以使用一组基本操作在系统1800中执行的分开的步骤：复制操作、乘法操作以及求和操作。在这些等式中，输入向量的每个元素出现两次，因此有两个复制操作。还有四个乘法操作，并且有两个求和操作。对于使用较大矩阵实现向量矩阵乘法的系统，执行的操作数量会更大，并且使用形状不是方形矩阵的矩阵(即，列数与行数不同)，每个操作的相对实例数量将不同。
85.在此示例中，藉由复制模块1804a和1804b来执行复制操作。输入向量xa和xb的元素分别由来自光学端口1802a和1802b的光信号上所编码的值来表示。这些值中的每一个都用于两个等式中，因此复制每个值以将得到的两个副本提供给不同的相应权重模块。举例来说，如下面更详细的描述，可以使用已被调制为具有来自一组多个功率级别的功率的光波，或具有来自一组多个占空比的光波，在特定时隙中编码值。藉由复制在其上编码值的光信号来复制值。被编码具有表示元素xa的值的光信号由复制模块1804a复制，并且被编码具有表示元素xb的值的光信号由复制模块1804b复制。每个复制模块可以例如使用光功率分离器来实现，光功率分离器例如是波导光分离器，其将输入波导中的引导模式耦接到y形分离器上的两个输出波导中的每一个，y形分离器逐渐(例如绝热地(adiabatically))分离功率，或者光功率分离器例如是自由空间光束分离器，其使用具有一个或多个层的介电界面或薄膜，以分别从输入光束透射和反射两个输出光束。
86.在本技术中，当说借由复制模块1804a来复制被编码具有表示元素xa的值的光信号时，是指基于输入信号来产生表示元素xa的多个信号副本，复制模块1804a的输出信号不一定具有与输入信号相同的幅度。举例来说，如果复制模块1804a在两个输出信号之间均匀地分离输入信号功率，则两个输出信号中的每一个将具有等于或小于输入信号功率的50％的功率。两个输出信号是彼此的副本，而复制模块1804a的每个输出信号的幅度不同于输入信号的幅度。而且，在具有用于复制给定光信号或光信号子集的一组多个复制模块的一些实施例中，每个单独的复制模块不一定在其产生的副本之间均匀地分离功率，但是该组复制模块可以共同地被配置以提供与下游模块(downstream module)(例如：下游权重模块)的输入具有基本相等的功率的副本。
87.在此实施例中，乘法操作由四个权重模块1806a、1806b、1806c以及 1806d执行。对于一个光信号的每个副本，一个权重模块将光信号的副本乘以矩阵元素值。
88.被编码具有向量元素xa的光信号可以使用不同形式的幅度调制来编码。光信号的
幅度可以对应特定时隙内的物理光波的特定瞬时功率级别pa，或者可以对应特定时隙上的物理光波的特定能量ea(随着时间的推移积分的功率 (the power integrated overtime)产生总能量)。举例来说，可以调制激光源的功率以具有来自预定的一组多个功率级别的特定功率级别。在一些实施例中，在优化的操作点附近操作电子电路可能是有用的，因此代替在许多可能的功率级别上改变功率，使用优化的“开启(on)”功率级别，其中信号被调制为对于时隙的特定部分是“开启(on)”和“关闭(off)”(处于零功率)。功率在“开启(on)”级别的时间部分对应特定能量级别。可以将功率或能量的这些特定值中的任何一个映射到元素xa的特定值(使用线性或非线性映射关系)。在信号处在电域中之后，产生特定总能量级别的随着时间的实际积分 (actual integration over time)可以在系统1800的下游发生，如下面更详细的描述。
89.另外，术语“幅度”可以指由光波中的瞬时或积分功率表示的信号的幅度，或者也可以等效地指光波的“电磁场幅度”。这是因为电磁场幅度与信号幅度具有定义良好的关系(例如：藉由在引导模式或自由空间光束的横向尺寸上积分电磁场强度(与电磁场幅度的平方成比例)以产生瞬时功率)。这导致调制值之间的关系，因为藉由特定值调制电磁场幅度的调制器也可以被认为是藉由对应的值m调制基于功率的信号幅度(因为光功率与电磁场幅度的平方成比例)。
90.在此实施例中，求和操作由两个求和模块执行，其中求和模块1808(如图8所示)用于在用来计算输出向量元素yb的等式中执行求和。对应的求和模块(未显示)用于在用来计算输出向量元素ya的等式中执行求和。求和模块 1808产生电信号，电信号表示两个权重模块1806c和1806d的结果的总和。在此示例中，电信号是电流i
sum
的形式，其分别与由权重模块1806c和1806d 所产生的输出光信号中的功率的总和成比例。在一些实施例中，产生此电流 i
sum
的求和操作在光电域中执行，并且在其他实施例中在电域中执行。或者，一些实施例可以使用用于一些求和模块的光电域求和以及使用用于其他求和模块的电域求和。
91.在电域中执行求和的实施例中，求和模块1808可以使用以下来实现： (1)两个或更多个输入导体，每个输入导体承载输入电流，输入电流的幅度表示权重模块之一的结果，以及(2)至少一个输出导体，其承载作为输入电流的总和的电流。举例来说，如果导体是在结点相遇的导线，则会发生这种情况。举例来说(不受理论束缚)，基于基尔霍夫电流定律(kirchhoff’s current law)可以理解这种关系，该定律指出流入结点的电流等于流出结点的电流。对于这些实施例，提供给求和模块1808的信号1810a和1810b是输入电流，其可以由光电检测器产生，光电检测器是权重模块的一部分，权重模块产生相应的光电流，其幅度与接收的光信号中的功率成比例。求和模块 1808接着提供输出电流i
sum
。接着可以使用输出电流的瞬时值(instantaneousvalue)或输出电流的积分值(integratedvalue)来表示总和的定量值 (quantitative value)。
92.在光电域中执行求和的实施例中，求和模块1808可以使用光电检测器 (例如：光电二极管)来实现，光电检测器接收由不同相应权重模块产生的光信号。对于这些实施例，提供给求和模块1808的信号1810a和1810b是输入光信号，每个输入光信号包括光波，其功率代表权重模块之一的结果。在此实施例中的输出电流i
sum
是由光电检测器产生的光电流。由于光波的波长是不同的(例如：足够不同使得它们之间不发生显著的相长干涉或相消干涉)，光电流将与接收的光信号的功率的总和成比例。光电流也基本等于各个电流的总和，
各个电流将导致由分开的等效光电检测器所检测到的各个检测光功率。光波的波长是不同的，但足够接近以使光电检测器具有基本相同的响应(例如：光电检测器的基本平坦的检测带宽内的波长)。如上面所述，使用电流求和的在电域中的求和可以藉由避免对多个波长的需求来实现更简单的系统架构。
93.在一些实施方式中，一个权重模块可以包括多个定向耦合器。示例性的如图9该权重模块400包括两个定向耦合器，以及一个分束器401，分束器 401可进行50％-50％分光(例如3db分束器)，但分光比例不限于此。其中，如图，3db分束器的输入部作为权重模块400的输入部，或者，权重模块 400的输入部与该分束器的输入部进行光学连接，以将代表一个数值的光信号进行输入，光信号被该3db分束器等分成两路，分别进入两个定向耦合器。根据该权重模块对应的预设数值，设计该第一定向耦合器的分光比、第二定向耦合器的分光比，定向耦合器的分光比与权重模块的预设数值相关联，可以通过设计耦合区结构的长度、波导宽度、耦合间隙宽度、材料等，在物理结构上改变定向耦合器。在图9中，可以选择两个定向耦合器的一个或多个输出部，作为权重模块的对应一个或多个输出部。当然，1个权重模块还也可包括其它数目的定向耦合器，例如3个、4个，但不限于此。另外，还可改变定向耦合器的连接方式，以实现合适的分光，例如，将一个定向耦合器的输出作为另一个定向耦合器的输入。
94.在图9中还示出了，对于不需要的波导终端，可以采用光吸收结构对波导中残留的光进行吸收，例如虚设的光电探测器402(dummy photodector)，它们将不必要的光信号转换为电信号，但电信号不再起其它作用。
95.在一些实施方式中，如图9所示，权重模块还包括光电转换元件405，例如光电探测器，其中两个定向耦合器的各个光输出部均连接光电转换元件，权重模块包括4个电输出端口，第一定向耦合器403对应的第1电输出端口 406a、第2电输出端口406b，以及第二定向耦合器404对应的第1电输出端口406c、第2电输出端口406d，其中两个所述第1电输出端口先电流求和，两个所述第2电输出端口电流求和，再将它们求和的结果进行差分处理，得到的对应电信号可对应表示1个输入光信号与该1个权重模块的乘法运算的结果。可选的，在一些实施方式中权重模块中的多个电输出端口中，对多个第一端口进行电流求和，以及多个对应的第二端口进行电流求和，求和后进行差分的电信号，从而表示1个输入光信号与该1个权重模块的乘法运算的结果。
96.在一些实施方式中，权重模块具有光信号输出。权重模块的光信号输出可以被进一步进行光学处理或者进行光电转换。示例性的，其输出部被接入光学非线性模块，以对权重模块的输出光信号进行处理，从而实现数学上的其它变换，例如非线性变换。
97.在一些实施方式中，权重模块可包括光电转换元件，用于将光信号转换为电信号，示例性的光电转换元件包括光电二极管，此时，权重模块具有电信号输出。
98.在一个示例性的实施例中，权重模块可用于矩阵计算，矩阵计算包括例如向量与矩阵的乘法，矩阵与矩阵的乘法，这些计算通常可以分解为元素之间的乘法运算，以及求和运算。示例性的，在一个实施例中，矩阵的一个或多个元素可以采用权重模块实现，权重模块可以采用本发明各实施例中的权重模块实现。在进行矩阵计算时，例如向量与矩阵的运算，需要对矩阵中1 个元素(1个权重)与另一个输入数值进行乘法计算，将一个光信号对应为一个输入数值，将1个矩阵元素对应为1个权重模块，从而完成1个元素对应数值与1个输
入数值之间的乘法计算。示例性的，对于一个矩阵8
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8的矩阵，将其乘以一个8位向量，向量中的每个元素均需要重复使用8次，分别与矩阵中的8个元素进行乘法计算，对此，可以将代表向量中一个元素a 的光信号(光信号功率)进行光功率分配，例如平均分配成8份，即向量中的一个元素可以采用8个光信号副本表示，可以采用复制模块产生光信号副本(光副本)，复制模块例如包括分束器(splitter)或者分束器的组合产生光信号副本，多个复制模块可构成复制单元。以完成向量与矩阵的完整计算为例，8
×
8的矩阵则需要64个权重模块，向量的8位元素总共需要64个光信号来表示(因为向量中的每个元素均需要重复使用8次)，在计算时，上述 64个光信号分别输入64个权重模块，从而进行乘法计算。当然，在矩阵乘法运算中，也可以仅采用具有预设数值的权重模块来实现矩阵中部分乘法运算，而根据需求配置合适数量的上述具有预设数值的权重模块。其中，每个权重模块包括的器件类型可以不同。
99.在一些实施方式中，光子计算单元可以包括多个复制模块，即复制模块可以属于光子计算单元的一部分。在一些实施方式中，多个复制模块也可以独立于光子计算单元，多个复制模块可以作为复制单元的一部分，即复制单元包括多个复制模块，复制单元与光子计算单元光学连接，从而将光副本传输给光子计算单元。
100.如图10-11，可以使用mmi(多模干涉耦合器)替代上述定向耦合器。示例性的，1个权重模块可以包括一个或多个mmi，其中mmi可以被设计为具有不同的光分配比例，例如，可通过对mmi的耦合区(干涉区)进行设计，其中mmi可以被设定为非对称性的，以实现任意比例的光分配。图10示出了权重模块500包括一个mmi，该权重模块500输入部、输出部可以与mmi的输入部、输出部对应，因此，该权重模块具有一个光信号输入部，两个光信号输出部。在图11中，权重模块500包括第一mmi 503以及第二mmi 504，以及分束器501，以及4个光电探测器505。权重模块500具有一个光输入部以及四个电信号输出部，在权重模块内部，每个mmi的两个光输出部都被连接至光电探测器，最终，电信号经过电信号输出部输出权重模块。
101.在一些实施方式中，在1个权重模块中，可以包括定向耦合器、mmi中的至少一种，它们的个数可以是一个或多个，可以设计定向耦合器、mmi的结构，以实现预设的分光比，使得它们能与权重模块对应预设的数值相关联。其中定向耦合器、mmi是无源器件，不需要外加电信号调节分光比，制造工艺也简单，它们的分光比被设计为与权重模块对应的预设数值相关，可以适用于预设的固定数值的权重模块的情形，利用上述分光器件实现被动分光，在光子计算中，具有稳定分光、抗干扰、非线性效应小、无静态功耗等优势。光在输入权重模块时，是根据定向耦合器、mmi等无源器件作为分光器件，来表示对应的权重模块的数值，上述分光器件实现了被动分光，无需采用电调制进行分光计算，避免了过多的电学接口。
102.一个权重模块可以具有一个或多个输出部，根据需要，输出部可以包括电信号输出部，也可以包括光信号输出部。
103.在一些实施方式中，权重模块的输出部可以输出光信号，亦即，权重模块包括光信号输出部，权重模块具有光信号输出，1个权重模块的一个或多个输出部可以是例如其中一个或者多个定向耦合器中的输出部、也可以是 mmi的输出部，也可以是定向耦合器、mmi的输出部可以通过波导或者其它光学元件耦合至权重模块的输出部。读取该1个权重模块的一个或多个输出部的光信号信息，经过进一步处理，可以获得乘法计算的结果。
104.在一些实施方式中，在一些实施方式中，权重模块的输出部可以输出电信号，亦
即，权重模块包括电信号输出部。示例性的，权重模块可包括光电转换元件，可以通过对定向耦合器、mmi的光输出部的光进行探测，并将其转换为电信号，以表示权重模块的计算结果。光电转换元件其可以包括例如光电探测器，光电探测器可以是光电二极管、光电晶体管、光敏电阻器等，将光信号转换为电信号，以电信号表示对应的乘法计算结果。示例性的，电信号作为权重模块的输出，例如通过光电二极管输出的电流信号。1个权重模块可以只有1个电信号输出部，也可以具有多个电信号输出部。可以对权重模块电信号输出部的电信号进行处理，而获得乘法计算结果。示例性的，将所述定向耦合器、所述mmi的至少一个光输出部输出的光进行光电转换，并以电流信号输出，在电子域进行信号处理，以读取对应的乘法计算的结果。示例性的，在电子域进行信号处理时，可采用例如差分运算放大器进行处理。
105.在一些实施方式中，采用一个求和模块对多个权重模块各自的第一电信号输出部的电流进行求和，再对多个权重模块各自的第二电信号输出部的电流进行求和，然后再进行差分处理，用差分处理后输出的结果表示多个权重模块获得的乘积之和。例如，4个权重模块各自包括第一电信号输出部，第二电信号输出部，求和模块接收来自所述4个权重模块的第一电信号输出部的电信号(例如光电流信号)进行求和，结果为电流s1，然后对第二电信号输出部的电流进行求和，结果记作电流s2，再对电流s1和s2进行差分处理，以得到多个权重模块对应的结果之和。
106.在一个示例性的实施例中，提出了一种光子计算芯片，光子计算芯片可包括光子集成电路，光子集成电路中的光子器件可采用本发明相关实施例的制造方法制造，例如可以包括各实施例中的定向耦合器。光子集成电路可以包括本文中提到的光子计算单元，示例性的，还可包括光编码单元、复制单元、求和模块。在一些实施方式中，光子计算芯片可以用于光子计算系统中，光子计算系统可以包括光子计算芯片，也可以包括电子芯片，电子芯片可以实现存储功能、计算功能或者控制功能，例如可以是存储器芯片、计算芯片、控制芯片等。
107.本领技术人员应当理解，以上所公开的仅为本发明的实施方式而已，当然不能以此来限定本发明请求专利保护的权利范围，依本发明实施方式所作的等同变化，仍属本发明之权利要求所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种光子集成电路，包括：第一定向耦合器，其包括第一臂以及第二臂，所述第一定向耦合器的第一臂以及第二臂分别包括第一波导耦合段以及第二波导耦合段，并且所述第一定向耦合器的第一臂与第二臂的光输出强度不同，其第一臂与第二臂的光输出强度比例为第一分光比例，其中，该第一定向耦合器的第一臂、第二臂的至少一个包括金属半导体化合物材料，该第一定向耦合器的金属半导体化合物材料的分布对第一分光比例分配具有贡献；第二定向耦合器，其包括第一臂以及第二臂，所述第二定向耦合器的第一臂以及第二臂分别包括第一波导耦合段以及第二波导耦合段，所述第二定向耦合器的第一臂与第二臂的光输出强度不同，其第一臂与第二臂的光输出强度比例为第二分光比例，其中，该第二定向耦合器的第一臂、所述第二臂的至少一个包括金属半导体化合物材料，该第二定向耦合器的金属半导体化合物材料的分布对第二分光比例分配具有贡献；其中，第一分光比例与第二分光比例不同。2.如权利要求1所述的光子集成电路，其中，所述第一定向耦合器的第一臂包括第一金属半导体化合物层，使得所述第一定向耦合器的第一臂、所述第二臂的至少一个包括金属半导体化合物材料；所述第二定向耦合器的第一臂包括第二金属半导体化合物层，使得所述第二定向耦合器的第一臂、所述第二臂的至少一个包括金属半导体化合物材料。3.如权利要求2所述的光子集成电路，所述第一定向耦合器包括波导主体层，所述第一金属半导体化合物层设置于所述第一定向耦合器的第一波导耦合段中的波导主体层的上方和/或侧壁。4.如权利要求3所述的光子集成电路，其中，所述第一金属半导体化合物层由金属材料与半导体材料经过热处理而得到。5.如权利要求3或4中任意一项所述的光子集成电路，其中，所述光子集成电路基于绝缘体上半导体层而形成。6.如权利要求5所述的光子集成电路，其中，所述光子集成电路基于绝缘体上硅而形成。7.如权利要求5所述的光子集成电路，其中，所述金属半导体化合物材料包括硅或锗中的至少一种半导体元素。8.如权利要求7所述的光子集成电路，其中，所述金属半导体化合物材料包括镍、钴、钛、钨、钽、铂、钯和铒中的至少一种金属元素。9.一种光子集成电路的制造方法，所述光子集成电路包括多个定向耦合器，所述多个定向耦合器中的每一个包括第一臂以及第二臂，所述定向耦合器的分光比例为第一臂的出光强度与第二臂的出光强度之比，其中，所述第一臂及第二臂分别包括第一波导耦合段、第二波导耦合段；所述制造方法包括：形成所述多个定向耦合器中的每一个定向耦合器的第一臂的波导主体层以及第二臂的波导主体层；根据分光比例形成金属半导体化合物区域，使得所述第一臂、所述第二臂的至少一个包括金属半导体化合物材料，所述金属半导体化合物材料的分布对分光比例分配具有贡
献。10.如权利要求9所述的光子集成电路的制造方法，所述多个定向耦合器包括第一定向耦合器、第二定向耦合器，所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器具有不同的分光比例。11.如权利要求10所述的光子集成电路的制造方法，所述形成金属半导体化合物区域，包括在所述第一定向耦合器的第一波导耦合段中的波导主体层上方和/或侧壁形成第一金属半导体化合物层，以及在所述第二定向耦合器的第一波导耦合段的波导主体层上方和/或侧壁形成第二金属半导体化合物层。12.如权利要求10或11所述的光子集成电路的制造方法，所述形成金属半导体化合物区域，包括：形成初始波导层，述初始波导层包括半导体材料；形成金属材料层；使得所述初始波导层的所述半导体材料的一部分与所述金属材料层中的金属材料反应，形成所述金属半导体化合物区域；其中，所述波导主体层包括未与所述金属材料层发生反应的初始波导层。13.如权利要求10或11所述的光子集成电路的制造方法，所述形成金属半导体化合物区域，包括：在所述波导主体层上形成半导体材料层；形成金属材料层；使得所述金属材料层与所述半导体材料层发生反应，形成所述金属半导体化合物区域。14.如权利要求12所述的光子集成电路的制造方法，所述金属半导体化合物材料包括硅或锗中的至少一种半导体元素。15.如权利要求14所述的光子集成电路的制造方法，所述金属半导体化合物材料包括镍、钴、钛、钨、钽、铂、钯和铒中的至少一种金属元素。16.如权利要求13所述的光子集成电路的制造方法，所述金属半导体化合物材料包括硅或锗中的至少一种半导体元素。17.如权利要求16所述的光子集成电路的制造方法，光子集成电路的制造方法，所述金属半导体化合物材料包括镍、钴、钛、钨、钽、铂、钯和铒中的至少一种金属元素。18.一种光子计算系统，包括如权利要求1-8中任意一项所述的光子集成电路，所述光子计算系统包括:光子计算单元，被配置为接收第一多个光信号，所述第一多个光信号对应表示第一组多个数值；所述光子计算单元包括多个权重模块，所述多个权重模块对应表示多个预设数值，每一个所述权重模块对应一个预设数值，每一个所述权重模块包括：光输入部，所述光输入部被配置为接收所述第一多个光信号中的1个光信号，以及至少一个定向耦合器，其中的每一个定向耦合器被设计为实现预设的分光比，以使得所述权重模块对应一个所述预设数值，并能够用于执行所述光输入部输入的1个光信号对应的1个数值与1个权重模块对应的1个预设数值的乘法运算；
其中，所述多个权重模块包括第一权重模块以及第二权重模块，所述第一权重模块中的所述至少一个定向耦合器包括所述第一定向耦合器，所述第二权重模块中的所述至少一个定向耦合器包括所述第二定向耦合器。19.如权利要求18所述的光子计算系统，其中，根据所述权重模块对应的所述预设数值，所述至少一个定向耦合器在制造阶段被配置，使其具有与权重模块预设数值相关联的分光比。20.如权利要求19所述的光子计算系统，所述光子计算单元包括一个或多个求和模块，并且对于两个或更多个权重模块的输出，相应的一个求和模块被配置以产生电信号，所述电信号表示两个或更多个权重模块对应的乘法运算结果的总和。21.一种光子计算芯片，其特征在于，包括如权利要求1-8中任意一项所述的光子集成电路。22.如权利要求21所述的光子计算芯片，其中，所述第一定向耦合器的第一分光比例与第一数值相关联，所述第二定向耦合器的第二分光比例与第二数值相关联，所述第一数值、所述第二数值用于计算。23.如权利要求21所述的光子计算芯片，其特征在于，包括光子计算单元，被配置为接收第一多个光信号，所述第一多个光信号对应表示第一组多个数值；所述光子计算单元包括多个权重模块，所述多个权重模块对应表示多个预设数值，每一个所述权重模块对应一个预设数值，每一个所述权重模块包括：光输入部，所述光输入部被配置为接收所述第一多个光信号中的1个光信号，以及至少一个定向耦合器，其中的每一个定向耦合器被设计为实现预设的分光比，以使得所述权重模块对应一个所述预设数值，并能够用于执行所述光输入部输入的1个光信号对应的1个数值与1个权重模块对应的1个预设数值的乘法运算；其中，所述多个权重模块包括第一权重模块以及第二权重模块，所述第一权重模块中的所述至少一个定向耦合器包括所述第一定向耦合器，所述第二权重模块中的所述至少一个定向耦合器包括所述第二定向耦合器。24.如权利要求23所述的光子计算芯片，其中，根据所述权重模块对应的所述预设数值，所述至少一个定向耦合器在制造阶段被配置，使其具有与权重模块预设数值相关联的分光比。25.如权利要求23或24所述的光子计算芯片，其特征在于，所述第一多个光信号用于表示向量中的一个或多个元素，所述多个权重模块用于表示矩阵中的多个元素。

技术总结
本发明涉及半导体领域，其提供了一种光子集成电路及其制造方法、光子计算系统、光子计算芯片。其中，光子集成电路可包括多个定向耦合器，所述多个定向耦合器包括第一定向耦合器、第二定向耦合器，所述第一定向耦合器、所述第二定向耦合器具有不同的分光比例。第一定向耦合器、第二定向耦合器可分别具有金属半导体化合物材料区域，并且金属半导体化合物材料区域的分布对分光比例具有贡献。域的分布对分光比例具有贡献。域的分布对分光比例具有贡献。


技术研发人员：彭博 邹静慧 孟怀宇 沈亦晨
受保护的技术使用者：上海曦智科技有限公司
技术研发日：2022.03.25
技术公布日：2023/10/6