光学向量矩阵乘法器原理及其实现方法研究

论文摘要

向量矩阵乘法运算VMM(vector matrix multiplier)广泛用于傅里叶变换、线性方程求解等,在图像处理、波束成形、雷达探测、无线通信等领域都有重要应用,且对其处理速度要求越来越高。在过去的十多年里,由于工艺技术的进步,微电子芯片的处理能力有了很大提高。然而,由于受到物理极限、制备工艺多方面的限制,进一步提高芯片性能的空间有限。光信号处理具有高速、宽带、低功耗的特点,且允许并行处理,能有效克服电计算的速度瓶颈。因此,光学向量矩阵乘法运算(OVMM)近年来受到重视,成为研究热点之一。本文提出了一种基于半导体光放大器(SOA)的光学向量矩阵乘法器的实现方法。采用SOA而不是普通的光调制器,因为SOA具有增益,可补偿系统的光功率损耗,从而提高计算精度;SOA还具有很快的上升和下降沿(理论上可达500ps),可以获得较高的调制速度。依据经典的Stanford multiplier结构,我们设计了一种基于光纤链路的2×2 OVMM运算模块,实验验证了方案的可行性。光向量矩阵乘法器实现的是一个二维并行运算的光计算过程。本文对光学向量矩阵乘法器的计算原理及其在点积、卷积及离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)中的应用进行了理论分析。由于处理器的硬件计算单元不可能具有无限高的维数,我们给出了有限维数的光学向量矩阵乘法器实现高维数及高精度计算的解决方法。本文所提出的OVMM实现方法,除SOA外,其他光学器件均可通过平面光波导技术(planar lightwave circuit, PLC),在石英基上实现单片集成,从而能提高性能、减小体积和成本,更具有实用性。随着混合集成技术的发展,甚至可以与SOA集成在一起,形成OVMM芯片。这也是本文采用SOA的主要原因之一。本文对PLC制作工艺进行了初步探索研究,通过对工艺过程和相关参数的摸索,目前已经可以制作较好的包层以及芯层膜层,退火后可以保证应力在200Mpa以下,这一结果对于制备平面光波导器件具有重要意义。此外,还得到一些掩模层制备、光刻、刻蚀等工艺测试的初步结果。目前正在进一步优化工艺条件,为今后工作打下了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 OVMM 的发展与现状
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 向量矩阵乘法器的原理
• 2.1 计算原理与算法研究
• 2.1.1 矩阵运算原理
• 2.1.2 OVMM 计算原理
• 2.1.3 点积、卷积及DFT 运算
• 2.2 高维数及高精度计算的解决算法
• 2.2.1 高维数计算的解决算法
• 2.2.2 高精度计算的解决算法
• 2.3 协处理器工作模式
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于SOA 的OVMM 实现方法研究
• 3.1 基于SOA 的OVMM 系统结构
• 3.2 核心模块实现
• 3.2.1 调制及乘运算的实现
• 3.2.2 和运算的实现
• 3.3 2×2 向量矩阵乘法器系统实现
• 3.4 本章小结
• 第四章 器件性能及其对OVMM 影响的研究
• 4.1 半导体光放大器及其对OVMM 的影响
• 4.1.1 SOA 的原理
• 4.1.2 SOA 的结构与驱动
• 4.1.3 SOA 的特征参数
• 4.1.4 SOA 参数对OVMM 的影响
• 4.2 无源器件及其对OVMM 的影响
• 4.2.1 波分复用器及其对OVMM 的影响
• 4.2.2 耦合器及其对OVMM 的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 集成化工艺探索
• 5.1 集成化意义及方法
• 5.2 二氧化硅波导制作工艺的研究
• 5.2.1 晶圆清洗方法
• 5.2.2 下包层芯层的应力优化与折射率调节
• 5.2.3 不同掩膜层制备的研究
• 5.2.4 刻蚀方法及优化
• 5.2.5 上包层折射率匹配的研究
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文工作总结及创新点
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 附录一 符号与标记
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 上海交通大学硕士学位论文答辩决议书