Die Erfindung betrifft einen optischen Matrix-Vektor Multiplizierer, insbesondere einen als integriertes optisches Bauteil ausgebildeten Matrix-Vektor Multiplizierer.

Mit der vorliegenden Erfindung lässt sich eine Matrix-Vekor Multiplikation durchführen, bei der ein n-dimensionaler Vektor X→ mit einer m·n-dimensionalen Matrix A multipliziert wird. Als Ergebnis erhält man einen mdimensionalen Vektor Y→.

Das Standardverfahren um eine Matrix-Multiplikation auf optischem Weg durchzuführen besteht darin, dass man Lichtstrahlen durch eine optische Schicht mit variabel einstellbarer Transparenz (z.B. LCD-Display) sendet und die verbleibende Intensität des Lichtes auf der anderen Seite der Schicht misst und als Ergebnis ausgibt. Die Intensität der eingekoppelten Lichtstahlen entspricht den Werten des Vektors X→. Die Matrix A wird durch m·n optische Elemente mit einstellbarer Transparenz gebildet. Die Höhe der Transparenz der einzelnen Elemente entspricht den Werten der Matrix A. Nach diesem Prinzip arbeitende optische Vektor-Matrix Multiplizierer finden sich zum Beispiel in US 4 800 519, EP 0 330 710, SU 1 299 362, SU 1 365 967, WO 87/05423, US 4 009 380, US 2 079 873, RU 2 152 070, RU 2 133 494, US 4 592 004, US 4 620 293, US 4 800 519, US 4 843 587, US 4 937 776 oder US 5 099 448.

Neben diesem Standardverfahren gibt es noch einige weniger verbreitete Ansätze, wie zum Beispiel die Verwendung von Freistrahloptik kombiniert mit Hologrammen (US 5 321 639), Vierwellenmischen als Ersatz für die transparenten Elemente (US 4 948 212), Akusto-Optische Modulatoren anstatt des transparenten Elementes (US 4 633 428), eine Reihe von hintereinandergeschalteten Kopplern, durch die ein Wellenleiter durchgeschleift wird (US 4 588 255, EP 0 099 193), elektro-optische Materialien mit Kopplern, wo der Kopplungskoeffizient als Funktion des elektrischen Feldes sich ändert (US 4 125 316), Glasfaser-Koppler, bei denen das Licht an einem elektro-optischen Modulator verschieden stark reflektiert wird (US 4 482 805) oder Polarisationsmodulatoren, bei denen am Schluss die Polarisationsmodulation in eine Intensitätsmodulation umgesetzt wird (US 3 944 820).

Von allen diesen Lösungen bilden die US 3 944 820 und US 4 482 805 den nächstkommenden Stand der Technik bezüglich der Erfindung.

Die US 4 482 805 betrifft einen diskret aufgebauten Vektor-Matrix Multiplizierer. Der Multiplizierer beruht rein auf Glasfasertechnologie, wobei die Modulation des Lichts durch variable Reflexion an entsprechenden Modulatoren erreicht wird. Es wird ein bidirektionales Layout verwendet, das heißt die Ausgänge sind auf der Eingangsseite. Die Nachteile dieser Lösung sind die relativ großen Abmaße und die schlechte Trennung zwischen Eingängen und Ausgängen.

Die US 3 944 820 beschreibt einen Vektor-Matrix Multiplizierer in Form einer integriert-optischen Lösung. Die Matrix-Multiplikation wird hier durch Kontrolle und Variation der Polarisation der Lichtstrahlen erreicht. Diese Polarisationssteuerung hat den Nachteil, dass sie nicht mehr eingesetzt werden kann, wenn es zu inhomogenen Erwärmungen des optischen Chips kommt. Durch Erwärmungen entstehen Spannungsfelder, welche zu nicht kontrollierbaren Polarisationsänderungen führen, wodurch die Ergebnisse der Matrixmultiplikation fehlerhaft werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen optischen Matrix-Vektor Multiplizierer anzugeben, der in Form eines integriert-optischen Chips realisierbar ist und eine schnelle Multiplikation eines Vektors mit einer Matrix auf optischem Weg erlaubt. Der Multiplizierer soll ferner unempfindlich gegenüber temperaturbedingten Störeinflüssen sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Multiplizierer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß umfasst der Vektor-Matrix Multiplizierer eine Anzahl von n Eingangswellenleitern, eine Anzahl von m Ausgangswellenleitern und eine Anzahl von m·n Matrixwellenleitern, wobei jeweils eine Zeile von m Matrixwellenleitern eingangsseitig mit jeweils einem Eingangswellenleiter gekoppelt ist und jeweils eine Spalte von n Matrixwellenleitern ausgangsseitig mit jeweils einem Ausgangswellenleiter gekoppelt ist. Jedem Matrixwellenleiter ist ein Modulator zugeordnet, das heißt insgesamt ist eine Anzahl von m·n Modulatoren vorgesehen. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung ist die integriert-optische Anordnung insbesondere der Multiplikationszellen, auf einem Chip und die Ausnutzung der variablen Lichtabsorption über das quergedämpfte Feld am Außenrand der jeweiligen Matrix-Wellenleiter zur Modulation.

Die Hauptunterschiede gegenüber dem Stand der Technik sind, dass US 4 482 805 rein auf Glasfasertechnologie beruht, während die erfindungsgemäße Lösung auf integrierter Optik beruht. Die Modulation bei US 4 482 805 wird durch variable Reflexion an den Modulatoren erreicht während die Erfindung auf einer variablen Absorption in Transmissionsrichtung beruht. Die US 4 482 805 verwendet ein bidirektionales Layout, das heißt die Ausgänge sind auf der Eingangsseite, während bei der Erfindung die Ein- und Ausgänge sauber getrennt sind.

Es sind noch weitere Vorteile der Erfindung zu nennen:

• – Wenn der Matrixwellenleiter in der mittleren Schicht in einem (bogenförmigen) Winkel von der Seite an den unteren Eingangswellenleiter angenähert wird, können die Streuverluste reduziert werden.
• – Dadurch dass nur die Amplitude und nicht die Polarisation des Lichts für die Multiplikation verwendet wird, ist der Chip unempfindlich gegenüber temperaturinduzierten Spannungsfeldern, die zu Änderungen der Polarisation führen .
• – Wie bei allen planar-optischen Anordnungen kann man durch Ätzgruben die Position der Laser und Detektoren genau vorgeben, wodurch die exakte Positionierung dieser Elemente viel einfacher und billiger wird, als bei anderen Lösungsansätzen, die beispielsweise auf Freistrahloptik beruhen und wo die Ausrichtung der einzelnen Elemente sehr aufwendig ist.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Hierbei ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Gestaltungsmöglichkeiten der Erfindung.

1 zeigt schematisch den Aufbau eines auf einem optischem Chip integrierten Vektor-Matrix-Multiplikators mit m·n Multiplikationszellen und externen Lichtquellen und Detektoren.

2a, 2b, 2c zeigen schematisch den Aufbau einer Multiplikationszelle des Multiplikators gemäß 1 in drei Ansichten.

Um eine Vektor-Matrix Multiplikation der Form

Die einzelnen Multiplikationszellen der Matrix A sind dabei alle gleich aufgebaut. Aus Gründen der praktischen Realisierung sind jedoch die Zeilen und Spalten der Matrix vertauscht angeordnet. Die Matrixelemente einer Zeile, z.B. a₁₁, a₁₂, a₁₃, ..., a_1n, verlaufen nach unten, während die Elemente einer Spalte, z.B. a₁₁, a₂₁, a₃₁, ..., a_m1, nach rechts verlaufen. Die einzelnen Elemente des Vektor X→ = (x₁, x₂, x₃, ... , x_n) sind durch variable Lichtquellen realisiert. Als Lichtquellen können vorzugsweise einzelne Laserdioden bzw. ein Laserarray verwendet werden. Der Wert der Elemente x₁, x₂, x₃, ... , x_n wird durch die jeweilige von der Lichtquelle eingespeiste Lichtenergie bestimmt. Das Ergebnis der Multiplikation wird durch Detektoren ermittelt. Der Wert der detektierten Lichtenergie wird den jeweiligen Elementen des Ergebnisvektors Y→ = (y₁, y₂, y₃, ... , y_m) zugeordnet.

Um das Prinzip des Multiplizierers zu erläutern schauen wir uns die Matrixzelle a₁₁ links oben in der Ecke an, da bei ihr alle wesentlichen Elemente des Multiplizierers einschließlich Lichtquelle und Detektor, vorhanden sind. Diese Zelle a₁₁ ist in den 2a, 2b und 2c im einzelnen dargestellt.

Der optische Chip ist schichtweise aufgebaut und umfasst übereinander liegende Schichten, in denen mehrere planare Wellenleiter 1, 2, 3 eingebettet sind. Ein Eingangswellenleiter 1 führt von Zelle a₁₁, über Zelle a₂₁ bis hin zur Zelle a_m1. In den Wellenleiter 1 wird über die Lichtquelle 5 Lichtenergie eingespeist. Innerhalb jeder Matrixzelle, siehe Zelle a₁₁, ist ein Matrixwellenleiter 2 vorgesehen, der im wesentlichen oberhalb und parallel zum zugeordneten Eingangswellenleiter 1 geführt ist. Dabei wird ein bestimmter Anteil der im Eingangswellenleiter 1 vorhandenen Lichtenergie in den Matrixwellenleiter 2 gekoppelt. Um Streuverluste zu minimieren, wird der Anfang des Matrixwellenleiters 2 in einem Bogen gegen den Eingangswellenleiter 1 geführt. Würde der Matrixwellenleiter 2 unmittelbar parallel über dem Eingangswellenleiter 1 beginnen, würde sich an der Stelle wo der Matrixwellenleiter 2 anfängt eine Kante ergeben, an der das Licht streuen würde, was unter anderem zu unerwünschtem „Signal-Rauschen" führen würde.

Der Abstand d zwischen den beiden Wellenleitern 1 und 2 und die Strecke s über die sie parallel übereinander geführt werden, sind dabei so berechnet, dass nur ein ganz bestimmter Teil der Lichtenergie vom Eingangswellenleiter 1 in den Matrixwellenleiter 2 koppeln kann. Bei einer Anzahl von m Multiplikationszellen nebeneinander wird ein Anteil von 1/m der von der Lichtquelle 5 in den Wellenleiter 1 eingespeisten Lichtenergie in den Wellenleiter 2 gekoppelt. In der Praxis muss daher berücksichtigt werden, dass die von der Lichtquelle 5 zur Verfügung gestellte Lichtleistung dem m-fachen Wert des jeweiligen Vektorelements, z.B. x₁, betragen muss, oder der Faktor m (rechnerisch) im Ergebnisvektor berücksichtigt werden muss.

In einer weiteren Schicht des optischen Chips ist ein Ausgangswellenleiter 3 angeordnet, der im gezeigten Beispiel senkrecht zum Eingangswellenleiter 1 verläuft. Die in dem Matrixwellenleiter 2 der Zelle a₁₁ eingebrachte Lichtenergie, die dem Wert x₁ des Vektors X→ entspricht, wird in den Ausgangswellenleiter 3 gekoppelt. Hierzu wird der Matrixwellenleiter 2 dem Ausgangswellenleiter 3 in einem spitzen Winkel angenähert und so lange parallel unter dem Ausgangswellenleiter 3 entlang geführt, bis die gesamte im Wellenleiter 2 enthaltene Lichtenergie in den Ausgangswellenleiter 3 gekoppelt ist.

Jedem Matrixwellenleiter 2 ist ein Modulator 4, vorzugsweise in Form eines variablen Dämpfungselements zugeordnet. Durch dieses Dämpfungselement kann die im Matrixwellenleiter 2 geführte Lichtenergie beliebig abgeschwächt werden, wobei der Faktor der Abschwächung in 2 dem durch den Wert des Matrixelements a₁₁ bestimmten Multiplikationsfaktor entspricht. Der Wert des Vektorelements x₁ wird also mit diesem Multiplikationsfaktor (Abschwächungsfaktor) multipliziert. Die Modulatoren 4 sind also Einheiten, deren Absorptionsverhalten aufgrund eines Eingangssignals, z.B. elektrischen Signals, veränderlich ist, so dass die Intensität des Lichtes im benachbarten Wellenleiter gesteuert werden kann.

Der Modulator 4 kann praktisch auf jedem bekannte optische Effekt basieren, der zu einer Reduzierung der Lichtintensität in einem Wellenleiter führt. Im Rahmen der Erfindung wird vorzugsweise ein variables Dämpfungselement, ein sogenannter VOA (=Variable Optical Attenuator), verwendet. Ein solcher VOA ist z.B. in der DE 102 22 151 A1 offenbart. Hierbei wird zum Beispiel der Effekt ausgenutzt, dass durch gezieltes Auskoppeln von Licht aus dem Matrixwellenleiter 2 eine Verringerung der Lichtenergie erreicht werden kann. Eine Möglichkeit der Realisierung könnte sein, dass neben dem eigentlichen Matrixwellenleiter 2 noch ein Stück eines Polymerwellenleiter 4 angeordnet ist, dessen Brechzahl normalerweise gleich groß ist wie die Brechzahl des „Mantels" des Wellenleiters 2, das heißt die Brechzahl des den Wellenleiter 2 umgebenden Materials. Somit gibt es keine Dämpfung für das Licht im Wellenleiter 2. Die Brechzahl des Polymerwellenleiters kann aber durch Temperaturerhöhung oder Anlegen eines elektrischen Feldes geändert werden, wobei sich die Brechzahl proportional zur Temperatur/Feldstärke erhöht. Durch Erhöhung der den Wellenleiter 2 umgebenden Brechzahl im Bereich des Dämpfungselements 4 wird Licht vom Wellenleiter 2 in diesen Polymerbereich mit der höheren Brechzahl gekoppelt, das heißt erreicht im Wellenleiter 2 eine Dämpfung proportional zur angelegten Temperatur/Feldstärke.

Alternativ kann das Dämpfungselement 4 aus bestimmten Materialien, z.B. Gallium-Arsenid (GaAs), bestehen. Bei diesen Materialien kann man durch Anlegen elektrischer Felder Ladungsträger in den benachbarten Wellenleiter 2 induzieren, die dann direkt das Licht im Wellenleiter 2 absorbieren als Funktion des elektrischen Feldes. Mit dieser Art von Dämpfungselement erhält man sehr schnelle Reaktionszeiten.

Das Dämpfungselement 4 kann ferner als eine dünne Siliziumbrücke ausgebildet sein, die neben dem Matrixwellenleiter entlang angeordnet ist. Durch Anlagen eines elektrischen Feldes kann die Siliziumbrücke dem Wellenleiter 2 angenähert werden, so dass Licht vom Wellenleiter 2 ausgekoppelt wird. Solche Anordnungen werden bei Mikro-Elektro-Mechanischen "Chips" verwendet.

Die Position der Modulatoren 4 muss nicht notwendigerweise über dem Wellenleiter 2 sein, sondern kann genauso gut unter oder neben dem Wellenleiter 2 sein (also irgendwo im unmittelbaren Nachbarbereich des Wellenleiters 2).

Die Ausgangswellenleiter 3 erstrecken sich jeweils über eine Matrixzeile, zum Beispiel über die Matrixzellen a₁₁, a₁₂, a₁₃, ... , a_1n der ersten Matrixzeile. Die in den Matrixwellenleitern 2 verbleibende Lichtenergie aller Matrixzellen a₁₁, a₁₂, a₁₃, ... , a_1n einer Zeile wird im zugeordneten Ausgangswellenleiter 3 aufsummiert. Die Summe der in den Wellenleitern 3 geführten Lichtenergie wird von jeweils einem Detektor, zum Beispiel einer Photodiode, ausgewertet. Die Höhe der Lichtenergie, welche an den Detektoren 6 registriert wird, entspricht dabei dem Ergebnisvektor Y→ = (y₁, y₂, y₃, ... , Y_m) der Matrixmultiplikation.

Eine erfindungsgemäße Matrix-Vektor Multiplikation wird nun an eines einfachen numerischen Beispiels erläutert:

Es wird angenommen, dass das System eine 2 × 2 Matrix mit einem zweidimensionalen Vektor multiplizieren kann und 16 verschiedene Zustände für jeden Eintrag (also Beispielsweise die positiven ganzen Zahlen von 0 bis 15) erlaubt.

Unter diesen Vorraussetzungen soll nun folgende einfache Matrix-Vektor Multiplikation durchgeführt werden:

Das System kann 16 verschiedene Zustände unterscheiden. Das bedeutet, dass die Intensität der Lichtquelle 16 Intensitätsstufen (zwischen 0/16 = minimal und 16/16 = maximal) annehmen kann und die Absorptionselemente 16 verschiedene Absorptionsstärken von 0/16 = maximale Absorption bis 16/16 = minimale Absorption zulassen.

Die Werte des Eingangsvektors kodiert man, indem die dem ersten Vektorelement zugeordnete Lichtquelle auf 2/16 ihrer maximalen Leistung und die dem zweiten Vektorelement zugeordnete Lichtquelle auf 1/16 ihrer maximalen Leistung eingestellt wird. Bei der Matrix wird die Absorption der einzelnen Modulatoren so eingestellt, dass sie noch 2/16, 3/16, 1/16 und 4/16 des ankommenden Lichtes durchlassen.

Nehmen wir exemplarisch die Multiplikation des Vektorelements mit dem Wert 2 und dem ersten Matrixelement mit dem Wert 2. Der Vektorwert 2 wird durch 2/16 der maximalen Leistung der Lichtquelle kodiert und trifft dann auf den Modulator, der von dem ankommenden Licht noch 2/16 durchlässt, das heißt nach dem Modulator beträgt die Intensität des Lichts noch 4/256 des maximalen Wertes. Analog werden die übrigen Vektorelemente mit den entsprechenden Matrixelementen multipliziert und aufaddiert.

Bei der Interpretation der Intensität am Detektor muss man berücksichtigen, dass die Ergebniswerte auf den Maximalwert 256 normiert werden müssen, das heißt die Ergebniswerte werden mit 256 multipliziert, was elektronisch recht einfach realisiert werden kann. Dabei wird zum Beispiel die Maximalintensität von 15/256 auf den Wert 15 geeicht und Minimalintensität von 0/256 auf den Wert 0 geeicht.

Die Multiplikation sieht damit folgendermaßen aus: