前面的文章基于硅光芯片的深度学习中,提到可编程纳米光处理器(programmable nanophotonic processor, 以下简称PNP)。今天主要介绍下PNP。在最新一期的Nature Photonics中,MIT组发表了另一片基于PNP的进展(Nature Photon. 11, 447(2017) ), 通过调节PNP芯片中的相位,研究光子在芯片中的量子传输行为,主要是动态无序与静态无序对量子输运的影响。
我们重点看一下这两篇np文章都涉及到的PNP, 它的基本单元如下图所示,
这个单元主要由两个定向耦合器和三个热光相移器构成。定向耦合器(directional coupler)由两根距离非常近的波导构成,如下图所示。
我们知道光的波导模式是消逝波的形式,大部分光场分布在波导区域,但光场在波导外仍有一定分布,
当两根波导距离比较远时,各自的模式都是消逝波,互不影响。当波导距离比较近时,各自的消逝波就会交叠,光场就可以从一根波导耦合到另外一根波导中去。这个耦合的过程,也可以用对称模和反对称模来理解。将两根波导看成一个整体,可以求出系统的本征模。本征模式在传播过程中振幅不变,相位累积。不同距离处光场的分布是这些本征模的叠加。
通过调节中间耦合区的波导长度,可以得到不同的分束比。定向耦合器的转移矩阵为,
其中z为耦合区域的长度,C是耦合系数,这和波导的结构参数(波导宽度、高度,波导间距)有关。改变z,就可以得到不同的分束比。
我们再来看一下相移器。相移器(phase shifter), 也就是通过一定的光学效应(电光、热光等)改变波导的有效折射率,进而改变光经过该波导的相位,
其中L是相移器的长度。实验中,我们可以通过改变电压,动态调节相移器的相位。
回到一开始的结构单元,我们来计算下这个单元的转移矩阵。该单元中DC的分束比是50/50。具体过程如下,
共同的相位因子可以忽略。从上式可以看出通过调节theta和psi,可以实现任意角度的矢量旋转。熟悉量子计算的同学可能已经看出,上述矩阵其实就是Bloch球任意两矢量的旋转矩阵。例如theta=0时, U=[ 0,1;1,0], 就是X操作。
多个该结构单元就可以搭建成更复杂的光路,实现更高维度的矩阵变换。MIT实验中PNP正是由88个定向耦合器,176个相移器构成。这些耦合器和相移器的相位都可以动态调节设置,这也就是它称为可编程(programmable)的原因。
我的问题:
集成电路的基本单元是晶体管,那么光学运算中是否只需要定向耦合器和相移器就可以了?需要其他的结构单元吗?
参考文献
1. N. C. Harris, et.al., Nature Photon. 11, 447(2017)