B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung betrifft eine optische Matrixmultiplikationseinheit für ein optoelektronisches System zur Bildung eines künstlichen neuronalen Netzes, mit N Eingangswellenleitem, M Ausgangswellenleitern und einer Mehrzahl von Matrixmultiplikations-Einheitszellen zur Signalverarbeitung optischer Signale von je einem der N Eingangswellenleiter und zur Übertragung des jeweils verarbeiteten Signals in einen der M Ausgangswellenleiter, wobei jede der Matrixmultiplikations-Einheitszellen einem der Eingangswellenleiter und einem der Ausgangswellenleiter zugeordnet ist und eine eineindeutige Zuordnung zwischen diesen beiden zugeordneten Wellenleitern vornimmt.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Matrixmultiplikations-Einheitszelle für eine derartige optische Matrixmultiplikationseinheit und ein entsprechendes optoelektronisches System zur Bildung eines künstlichen neuronalen Netzes.

Bei der Realisierung künstlicher neuronaler Netze ist man mittlerweile dazu übergegangen, rechenintensive Schritte dieser neuronalen Netze von einer elektronischen Realisierung zu einer photonischen Realisierung zu übertragen. Dies umfasst die Implementierung von Matrixmultiplikationen mit Matrizen, die nicht in der Größe limitiert sind. Durch die photonische Realisierung wird gleichzeitig die Leistungsaufnahme reduziert und die Schallgeschwindigkeit erhöht. Auf diese Weise werden extrem mächtige Matrixmultiplikationen möglich, die weit über die Leistung aktueller Rechensysteme hinaus gehen.

Die US 2020/0110992 Al beschreibt ein optoelektronisches System zur Bildung eines künstlichen neuronalen Netzes mit einer optischen Matrixmultiplikationseinheit, die N Eingangswellenleiter, M Ausgangswellenleiter und eine Mehrzahl von Matrixmultiplikations- Einheitszellen zur Signalverarbeitung optischer Signale von je einem der N Eingangswellenleiter und zur Übertragung des jeweils verarbeiteten Signals in einen der M Ausgangswellenleiter aufweist. Jede dieser Matrixmultiplikations-Einheitszellen ist einem der Eingangswellenleiter und einem der Ausgangswellenleiter zugeordnet und nimmt eine eineindeutige Zuordnung zwischen diesen beiden zugeordneten Wellenleitern vor. Die Einheitszellen dieser optischen Matrixmultiplikationseinheit umfassen je ein Mach-Zehnder- Interferometer und zwei Phasenschieber. Das optoelektronische System weist neben der optischen Matrixmultiplikationseinheit eine der optischen Matrixmultiplikationseinheit vorgeschaltete Lichtquelleneinheit, eine zwischen Lichtquellen- und Matrixmultiplikationseinheit zwischengeschaltete Modulatoreinheit sowie eine der Matrixmultiplikationseinheit nachgeschaltete Sensoreinheit auf. Bei diesem System wird eine Phaseninformation des verwendeten Lichts für die Multiplikation verwendet. Basis für ein solches Vorgehen ist die Verwendung kohärenten (Laser-)Lichts.

Es ist Aufgabe der Erfindung Maßnahmen anzugeben, die das optoelektronische System leistungsfähiger machen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Bei der erfindungsgemäßen optische Matrixmultiplikationseinheit für ein optoelektronisches System zur Bildung eines künstlichen neuronalen Netzes, welche N Eingangswellenleiter, M Ausgangswellenleiter und eine Mehrzahl von Matrixmultiplikations-Einheitszellen zur Signalverarbeitung optischer Signale von je einem der N Eingangswellenleiter und zur Übertragung des jeweils verarbeiteten Signals in einen der M Ausgangswellenleiter umfasst, bei der jede der Matrixmultiplikations-Einheitszellen einem der Eingangswellenleiter und einem der Ausgangswellenleiter zugeordnet ist und eine eineindeutige Zuordnung zwischen diesen beiden zugeordneten Wellenleitern vornimmt, ist vorgesehen, dass jede der Matrixmultiplikations-Einheitszellen zur Signalverarbeitung und Signalübertragung einen zwischen den zugeordneten Eingangswellenleiter und den zugeordneten Ausgangswellenleiter zwischengeschalteten Direktionalkoppler mit elektrooptischem Modulator zur Transmissionsregelung des Direktionalkopplers aufweist.

Anders als bei bekannten optischen Matrixmultiplikationseinheiten erfolgt hier die Multiplikation über die Amplitude eines entsprechenden optischen Signals und nicht über dessen Phase bzw. eine Phasenbeziehung. Dem Multiplikator der einzelnen von einer der Einheitszellen durchgeführten Multiplikation entspricht das von den Modulatoreinstellungen des elektrooptischen Modulators dieser Einheitszelle bestimmte Amplitudenverhältnis des optischen Signals zwischen dem entsprechenden Eingangs- und Ausgangswellenleiter.

Bei einer solchen auf einer Amplitudenänderung basierenden Multiplikation ergibt sich eine höhere Bandbreite, was ein optoelektronisches System mit einer derartigen optischen Matrixmultiplikationseinheit leistungsfähiger macht.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der elektrooptische Modulator der jeweiligen Einheitszelle ein Phasen-Modulator. Der elektrooptische Modulator (EOM) basiert auf der Veränderung des Brechungsindexes. Bei diesem Verfahren ändert sich der Brechungsindex durch Anlegen eines elektrischen Feldes an das dotierte Material. Dies hat zur Folge, dass sich die Phasenlage des Lichts verändert, was bedeutet, dass sich die Lichtwellen verschieben. Beispiele für einen solchen Phasen-Modulator sind Kerr-Zelle und Pockels-Zelle.

Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der jeweilige Direktionalkoppler ein Mach-Zehnder- Interferometer aufweist, in das der Phasen-Modulator integriert ist. Das Mach-Zehnder- Interferometer weist zwei Signalpfad-Arme auf, in dessen einem Arm der Phasen-Modulator angeordnet ist.

Besonders bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass der jeweilige Direktionalkoppler weiterhin Multimodeninterferenz-Koppler zur Wellenaufteilung am Eingang und Ausgang des Mach- Zehnder-Interferometers aufwei st.

Alternativ zu der Nutzung eines Phasenmodulators ist mit Vorteil vorgesehen, dass der elektrooptische Modulator der jeweiligen Einheitszellen ein Absorptionsmodulator ist. Dieser wird auch als Elektroabsorptionsmodulator (EAM) bezeichnet. Bei einem solchen Absorptionsmodulator wird in der Regel die Opakheit des verwendeten optischen Materials in Abhängigkeit einer angelegten Spannung verändert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Matrixmultiplikationseinheit als halbleiterbasierte Matrixmultiplikationseinheit ausgestaltet. Gängigstes Material dafür ist Silizium.

Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Matrixmultiplikationseinheit als eine auf mindestens einem optisch aktiven Material basierende Matrixmultiplikationseinheit ausgestaltet. Mögliche Materialien sind beispielsweise Lithium-Niobat, Aluminium-Nitrid oder Gallium-Nitrid.

Bei der erfindungsgemäßen Matrixmultiplikations-Einheitszelle für eine vorstehend genannte optische Matrixmultiplikationseinheit ist vorgesehen, dass diese zur Signalverarbeitung optischer Signale eines Eingangswellenleiters der optischen Matrixmultiplikationseinheit und zur Übertragung des jeweils verarbeiteten Signals in einen Ausgangswellenleiter der optischen Matrixmultiplikationseinheit einen Direktionalkoppler mit integriertem elektrooptischen Modulator aufweist.

Alle im Zusammenhang mit der Matrixmultiplikationseinheit genannten vorteilhaften Ausführungsformen, die die Ausgestaltung der Matrixmultiplikations-Einheitszellen betreffen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Matrixmultiplikations-Einheitszelle selbst.

Bei dem erfindungsgemäßen optoelektronischen System zur Bildung eines künstlichen neuronalen Netzes, mit einer Lichtquelleneinheit, einer optischen Matrixmultiplikationseinheit und einer Sensoreinheit ist vorgesehen, dass die Matrixmultiplikationseinheit als vorstehend genannte Matrixmultiplikationseinheit ausgebildet ist.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:

Fig. 1 eine Matrixmultiplikations-Einheitszelle für eine optische Matrixmultiplikationseinheit gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 die Matrixmultiplikations-Einheitszelle für eine optische Matrixmultiplikationseinheit gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 3 ein optoelektronisches System zur Bildung eines künstlichen neuronalen Netzes mit einer optische Matrixmultiplikationseinheit gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Fig. 1 zeigt eine Matrixmultiplikations-Einheitszelle 10 für eine in Fig. 3 gezeigte optische Matrixmultiplikationseinheit 12 in einer schematischen Darstellung. Im Folgenden wird die Matrixmultiplikations-Einheitszelle 10 nur noch kurz Einheitszelle 10 genannt. Neben den eigentlichen Komponenten der Einheitszelle 10 ist auch je ein Abschnitt eines der Einheitszelle 10 zugeordneten Eingangswellenleiters 14 und ein Abschnitt eines der Einheitszelle 10 zugeordneten Ausgangswellenleiters 16 eingezeichnet. Diese beiden Ein- und Ausgangswellenleiter 14, 16 dienen der Übertragung optischer Signale und kreuzen einander im Bereich der zugeordneten Einheitszelle 10, weisen somit also einen Kreuzungspunkt 18 auf. In den Darstellungen der Figuren sind Eingangswellenleiter 14 waagerecht und Ausgangswellenleiter 16 senkrecht eingezeichnet.

Die Einheitszelle 10 weist nun zur Signalverarbeitung der optischen Signale des Eingangswellenleiters 14 (Pfeile 20) und zur Übertragung des jeweils verarbeiteten Signals (Pfeile 22) in den Ausgangswellenleiter 16 einen zwischen den Eingangswellenleiter 14 und den zugeordneten Ausgangswellenleiter 16 zwischengeschalteten Direktionalkoppler 24 auf, der mit einem elektrooptischen Modulator 26 zur Transmissionsregelung des Direktionalkopplers 24 versehen ist. Der Direktionalkoppler 24 selbst ist primär für eine Signalübertragung/Signalumleitung vom Eingangswellenleiter 14 in den Ausgangswellenleiter 16 über einen Signalpfad 28 zuständig. Sein elektrooptischer Modulator 26 ist für die die Multiplikation ausmachende Signalverarbeitung zuständig. Der elektrooptische Modulator 26 weist elektrische Anschlüsse 30 auf. Im gezeigten Beispiel der Fig. 1 ist der elektrooptische Modulator 26 konkret als ein Absorptionsmodulator 32 ausgebildet, bei dem sich die Opakheit des verwendeten optischen Materials in Abhängigkeit einer an die elektrischen Anschlüsse 30 angelegten Spannung verändert. Die Multiplikation bei dieser Einheitszelle 10 ergibt sich aus dem optischen Signal des Eingangswellenleiters 14 (Pfeile 20) und dessen Abschwächung durch den elektrooptischen Modulator 26 zu dem verarbeiteten Signal (Pfeile 22). Die Fig. 2 zeigt eine Variante der Matrixmultiplikations-Einheitszelle 10 in einer schematischen Darstellung. Auch hier ist neben den eigentlichen Komponenten der Einheitszelle 10 je ein Abschnitt eines der Einheitszelle 10 zugeordneten Eingangswellenleiters 14 und ein Abschnitt eines der Einheitszelle 10 zugeordneten Ausgangswellenleiters 16 eingezeichnet. Diese beiden Ein- und Ausgangswellenleiter 14, 16 dienen der Übertragung optischer Signale und kreuzen einander im Bereich der zugeordneten Einheitszelle 10.

Auch bei dieser Variante weist die Einheitszelle 10 zur Signalverarbeitung der optischen Signale des Eingangswellenleiters 14 (Pfeile 20) und zur Übertragung des jeweils verarbeiteten Signals (Pfeile 22) in den Ausgangswellenleiter 16 einen zwischen den Eingangswellenleiter 14 und den zugeordneten Ausgangswellenleiter 16 zwischengeschalteten Direktionalkoppler 24 auf, der mit einem elektrooptischen Modulator 26 zur Transmissionsregelung des Direktionalkopplers 24 versehen ist. Im gezeigten Beispiel der Fig. 2 ist der elektrooptische Modulator 26 als Phasenmodulator 34 ausgebildet. Der Direktionalkoppler 24 weist ein Mach-Zehnder-Interferometer 36 auf, bei dem sich der Signalpfad 28 in einem Zwischenabschnitt in zwei Signalpfad- Arme 38, 40 aufteilt. In einem dieser Signalpfad- Arme 38 befindet sich der Phasenmodulator 34. Weiterhin weist der Direktionalkoppler 24 am Eingang und Ausgang des Mach-Zehnder-Interferometers 36 Multimodeninterferenz-Koppler 42 (MMI-Koppler) zur Wellenaufteilung bezüglich der Signalpfad- Arme 38, 40 auf.

Die Fig. 3 zeigt schließlich ein optoelektronisches System 44 zur Bildung eines künstlichen neuronalen Netzes in einer schematischen Darstellung. Dabei sind die Baugruppen dieses optoelektronischen Systems 44 in einer Art Blockschaltbild gezeigt. Die einzelnen Blöcke dieses Blockschaltbildes geben eher die funktionalen Zusammenhänge als die räumliche Struktur innerhalb des optoelektronischen Systems 44 wieder. Die nötige Ansteuerelektronik für die ansteuerbaren Komponenten der einzelnen Baugruppen sind ebenfalls nicht eingezeichnet. Die Baugruppen sind (i) die Matrixmultiplikationseinheit 12, (ii) eine der Matrixmultiplikationseinheit 12 über N Eingangswellenleiter 14 vorgeschaltete Lichtquelleneinheit 46 und eine der Matrixmultiplikationseinheit 12 über M Ausgangswellenleiter 16 nachgeschaltete Sensoreinheit 48. Im gezeigten Beispiel gilt N = M = 4. Es sind selbstverständlich auch Varianten mit N M möglich, beispielsweise N = 4 und M = 3. Die entsprechenden N Lichtquellen der Lichtquelleneinheit 46 und M Sensoren der Sensoreinheit 48 sind nicht explizit eingezeichnet.

Im Folgenden sollen wichtige Aspekte der Erfindung noch einmal mit anderen Worten wiedergegeben werden:

Die Basis der Matrixmultiplikationseinheit 12 kann aus Halbleitermaterialien hergestellt werden, wie z.B. Silizium. Die Matrix selber besteht aus passiven photonischen Bausteinen zur Wellenführung, also den Wellenleitern 14, 16. Diese Wellenleiter 14, 16 führen einen breiten Wellenlängenbereich, insbesondere im Telekommunikationsbereich. Die Wellenleiter 14, 16 sind in Zeilen und Spalten angeordnet. Über die Direktionalkoppler 24 wird ein deterministischer Transfer optischer Leistung von den Zeilen- in die Spaltenwellenleiter erreicht.

Die Transmissionswerte der Direktionalkoppler 24 kodieren die Matrixelemente für die Multiplikation, also die Matrixmultiplikations-Einheitszellen 10. Bei voller Transmission wird maximale optische Leistung in die Spalte übertragen und der größte Wert für das Matrixelement abgebildet, bei minimaler Transmission wird das kleinste Matrixelement realisiert. Beliebige Werte dazwischen werden über die Regelung der Transmission eingestellt.

Die Regelung der Transmission erfolgt durch die elektrooptische Modulatoren 26. Mit diesen wird entweder der Realteil oder der Imaginärteil des Brechungsindex variiert. Im Falle des Realteils handelt es sich um einen Phasenmodulator 34. Dieser wird zur Modulation in das Mach-Zehnder Interferometer 36 integriert, das aus zwei gleich langen Wellenleiter- Arm en (Signalpfad- Arm en 38, 40) realisiert wird. In einen Arm 38 wird der elektrooptische Phasenmodulator 34 integriert. Gleich Aufteilung der optischen Leistung in die beiden Arme 38, 40 erfolgt mit Hilfe von MMI Kopplern 42. Der Phasenmodulator 34 kann z.B. über Ladungsträger-Injektion in PIN-Dioden implementiert werden, oder auch über thermooptische Bauelemente. Für die Regelung des Imaginärteils werden Absorptionsmodulatoren 32 eingesetzt. Auf einer Silizium-Plattform eignen sich dazu z.B. Germanium-basierte Elektro- Absorptionsmodulatoren. Diese können mit sehr hohen Geschwindigkeiten im GHz- Bereich moduliert werden und bieten eine kompakte Bauform.

Weiter Implementierungsmöglichkeiten sind elektrooptisch aktive Materialien, wie z.B. Lithium Niobat, Aluminium Nitrid oder Gallium-Nitrid. Aus diesen Materialien können effiziente Wellenleiter 14, 16 hergestellt werden, aber auch effiziente elektrooptische Modulatoren 26. Diese arbeiten über den elektrooptischen Effekt und verbrauchen nur im Schaltzustand optische Leistung. Allerdings bieten sie eine weniger kompakte Bauform als Silizium-basierte Modulatoren 26. Die Schaltgeschwindigkeit kann jedoch im hohen GHz- Bereich liegen. Zudem bieten diese Materialien sehr breite optische Transparenz, so dass auch im sichtbaren Wellenlängenbereich gearbeitet werden kann.

Die Erfindung erlaubt es Matrix-Vektormultiplikationen optisch durchzuführen und elektrisch zu kontrollieren. Durch die Verwendung von elektrooptischen Modulatoren 26 können sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten erreicht werden, ohne dass es zu Materialermüdung kommt. Damit kann die Matrixmultiplikationseinheit 12 beliebig oft konfiguriert werden. Dies erlaubt es zum einen größere Matrizen durch reprogrammieren zu erzeugen. Zum anderen können aber auch die Einheitszellen 10, also die entsprechenden Matrixelemente, über die Zeit angepasst werden. Dies ist besonders für die Optimierung der Rechnung erforderlich, als auch für maschinelles Lernen.

Durch die Verwendung von elektrooptischen Modulatoren 26 wird hohe Präzision erreicht. Die Modulatoren 26 bieten einen hohen dynamischen Bereich, der über die elektrische Spannung exakt kontrolliert werden kann. Dies ermöglicht es, die Matrixelemente mit hoher Genauigkeit einzustellen. Dadurch wird ebenfalls das Gesamtergebnis der

Matrixmultiplikation sehr präzise, da die optische Eingangsleistung genau kontrolliert werden kann. Hochpräzise Multiplikationen sind für das maschinelle Lernen essentiell und können bisher nur unzureichend auf elektronischem Wege realisiert werden.

Der Multiplikationsansatz über die kombinierte optisch-elektronische Variante erlaubt enorm hohe Rechenraten, die mit herkömmlichen Verfahren nicht erreicht werden können. Durch die Umprogrammierbarkeit ist die Größe der Matrix nicht limitiert, so dass über die Erfindung effektiv skaliert werden kann. Gleichzeitig bieten optische Verfahren sehr hohe Energieeffizienz, so dass die zentralen Herausforderungen der künstlichen Intelligenz über das Verfahren adressiert werden können.

Bezugszeichen

10 Matrixmultiplikations-Einheitszelle

12 Matrixmultiplikationseinheit

14 Eingangswellenleiter

16 Ausgangswellenleiter

18 Kreuzungspunkt

20 Pfeil (Signal)

22 Pfeil (verarbeitetes Signal)

24 Direktionalkoppler

26 elektrooptischer Modulator

28 Signalpfad (Direktionalkoppler)

30 elektrischer Anschluss

32 Absorptionsmodulator

34 Phasenmodulator

36 Mach-Zehnder-Interferometer

38 Signalpfad- Arm

40 Signalpfad-Arm

42 Multimodeninterferenz-Koppler

44 System, optoelektronisch

46 Lichtquelleneinheit

48 Sensoreinheit