光电计算系统及方法与流程

本申请涉及光电计算，具体涉及一种光电计算系统及方法。

背景技术：

1、相较于当下的集成电子电路的计算硬件，光子计算具有实现高速、大规模并行和低功耗计算的潜力，因此其可被用于大数据量的计算。相关技术中，光电计算系统的工作原理为，通过光输入信号表示电输入信号，对光输入信号进行光计算得到光输出信号，对光输出信号进行光电转换得到电输出信号，从而通过光计算实现由电输入信号到电输出信号的计算功能。然而，这样的光电计算系统只能适用于部分特定的计算功能，无法适用于某些复杂的计算功能。

技术实现思路

1、本申请提供一种光电计算系统及方法，可以解决现有技术中存在的无法适用于某些复杂的计算功能的技术问题。

2、第一方面，本申请实施例提供一种光电计算系统，所述光电计算系统包括发光模块、第一调制模块、第二调制模块和探测模块；

3、发光模块用于产生原始光信号；

4、第一调制模块用于对原始光信号进行调制得到光输入信号，其中，光输入信号等效于电输入信号经过编码函数的计算结果；

5、第二调制模块用于对光输入信号进行调制得到光输出信号，其中，光输出信号等效于电输入信号经过目标函数的计算结果；

6、探测模块用于对光输出信号进行光电转换得到电输出信号。

7、进一步地，一实施例中，第二调制模块包括至少一层相位板；

8、第一调制模块到第一层相位板之间的自由空间、相邻两层相位板之间的自由空间和最后一层相位板到探测模块之间的自由空间用于改变光信号在二维空间的振幅和相位分布，相位板用于改变光信号在二维空间的相位分布。

9、进一步地，一实施例中，所述对光输入信号进行调制得到光输出信号的步骤的数学表达式为：

10、

11、其中，qout表示光输出信号的光场分布，qin表示光输入信号的光场分布，表示光信号在第一调制模块到第一层相位板之间的自由空间的传播过程，d0为第一调制模块到第一层相位板之间的距离，l为相位板的个数，k≤l时，表示光信号在第k层相位板到第k+1层相位板之间的自由空间的传播过程，dk为第k层相位板到第k+1层相位板之间的距离，表示光信号在第l层相位板到探测模块之间的自由空间的传播过程，dl为第l层相位板到探测模块之间的距离，表示第k层相位板上的相位分布，g(d)等效于：

12、

13、其中，g(u,v)表示垂直于传播方向的接收平面上的光场分布，f(x,y)表示垂直于传播方向的发射平面上的光场分布，d为接收平面和发射平面之间的垂直距离，r为接收平面和发射平面上任意两个像素单元之间的直线距离，λ为光信号的波长。

14、进一步地，一实施例中，光输入信号的光场分布为：

15、

16、其中，r(win)表示编码函数，win表示电输入信号，qin的振幅分布为1，相位分布为r(win)；

17、所述对光输出信号进行光电转换得到电输出信号的步骤的数学表达式为：

18、wout＝|qout|2

19、其中，wout表示电输出信号；

20、所述光电计算系统还包括参数求解模块，用于求解设计方程，设计方程为：

21、

22、其中，h(win)表示目标函数，设计方程的给定量包括原始光信号的波长、光输入信号的光斑尺寸、光输出信号的光斑尺寸、相位板的个数、每个相位板的尺寸、编码函数的类型和编码函数中常数参数的个数，设计方程的待求解量包括编码函数中常数参数的值、第一调制模块到第一层相位板之间的距离、相邻两层相位板之间的距离、最后一层相位板到探测模块之间的距离和每层相位板上的相位分布。

23、进一步地，一实施例中，第二调制模块中相位板的数量小于或等于10。

24、进一步地，一实施例中，第一调制模块用于对原始光信号在二维空间进行相位调制得到光输入信号。

25、进一步地，一实施例中，第一调制模块包括编码器和相位型空间光调制器。

26、第二方面，本申请实施例提供了一种光电计算方法，应用于包括发光模块、第一调制模块、第二调制模块和探测模块的光电计算系统，所述光电计算方法包括：

27、发光模块产生原始光信号；

28、第一调制模块对原始光信号进行调制得到光输入信号，其中，光输入信号等效于电输入信号经过编码函数的计算结果；

29、第二调制模块对光输入信号进行调制得到光输出信号，其中，光输出信号等效于电输入信号经过目标函数的计算结果；

30、探测模块对光输出信号进行光电转换得到电输出信号。

31、进一步地，一实施例中，第二调制模块包括至少一层相位板；

32、第一调制模块到第一层相位板之间的自由空间、相邻两层相位板之间的自由空间和最后一层相位板到探测模块之间的自由空间用于改变光信号在二维空间的振幅和相位分布，相位板用于改变光信号在二维空间的相位分布。

33、进一步地，一实施例中，所述对光输入信号进行调制得到光输出信号的步骤的数学表达式为：

34、

35、其中，qout表示光输出信号的光场分布，qin表示光输入信号的光场分布，表示光信号在第一调制模块到第一层相位板之间的自由空间的传播过程，d0为第一调制模块到第一层相位板之间的距离，l为相位板的个数，k≤l时，表示光信号在第k层相位板到第k+1层相位板之间的自由空间的传播过程，dk为第k层相位板到第k+1层相位板之间的距离，表示光信号在第l层相位板到探测模块之间的自由空间的传播过程，dl为第l层相位板到探测模块之间的距离，表示第k层相位板上的相位分布，g(d)等效于：

36、

37、其中，g(u,v)表示垂直于传播方向的接收平面上的光场分布，f(x,y)表示垂直于传播方向的发射平面上的光场分布，d为接收平面和发射平面之间的垂直距离，r为接收平面和发射平面上任意两个像素单元之间的直线距离，λ为光信号的波长。

38、本申请中，第一调制模块不仅实现了电光信号的转换，还通过编码函数对电输入信号实现了目标函数中的一部分计算功能，使得光输入信号等效于电输入信号经过编码函数的计算结果，第二调制模块对光输入信号实现目标函数中的另一部分计算功能，使得光输出信号等效于电输入信号经过目标函数的计算结果。通过本申请，电计算和光计算共同实现由电输入信号到电输出信号的计算功能，增加了光电计算系统中可调控的参数，从而使得光电计算系统能够适用于更为复杂的计算功能。

1.一种光电计算系统，其特征在于，所述光电计算系统包括发光模块、第一调制模块、第二调制模块和探测模块；

2.如权利要求1所述的光电计算系统，其特征在于，第二调制模块包括至少一层相位板；

3.如权利要求2所述的光电计算系统，其特征在于，所述对光输入信号进行调制得到光输出信号的步骤的数学表达式为：

4.如权利要求3所述的光电计算系统，其特征在于，光输入信号的光场分布为：

5.如权利要求2所述的光电计算系统，其特征在于，第二调制模块中相位板的数量小于或等于10。

6.如权利要求1所述的光电计算系统，其特征在于，第一调制模块用于对原始光信号在二维空间进行相位调制得到光输入信号。

7.如权利要求6所述的光电计算系统，其特征在于，第一调制模块包括编码器和相位型空间光调制器。

8.一种光电计算方法，其特征在于，应用于包括发光模块、第一调制模块、第二调制模块和探测模块的光电计算系统，所述光电计算方法包括：

9.如权利要求8所述的光电计算方法，其特征在于，第二调制模块包括至少一层相位板；

10.如权利要求9所述的光电计算方法，其特征在于，所述对光输入信号进行调制得到光输出信号的步骤的数学表达式为：