光子神经元件

摘要

一种光子神经元件，包括光发射器；光接收器；在板上形成的节点间波导，配置成将输入光信号多路复用到节点间波导上的多路复用器，配置成接收从光发射器发射的光信号并将接收的光信号经由多路复用器发送到节点间波导的发射波导；用于部分地反射在节点间波导上传播的光信号的反射镜，被配置为接收由反射镜产生的反射光信号并将反射的光信号发送到光接收器的接收波导；以及配置为对反射的光信号应用权重的滤光器。在板上形成发射波导和接收波导，使得发射波导之一和接收波导之一穿过一个节点间波导，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层。

权利要求

1.一种光子神经元件，包括：

多个光发射器；

多个光接收器；

在板上形成的多个节点间波导；

在所述板上形成的多个多路复用器，每个多路复用器被配置为将输入光信号多路复用到所述多个节点间波导的节点间波导上；

在板上形成的多个发射波导，使得至少一个发射波导穿过至少一个节点间波导，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层，每个发射波导光连接到所述多个光发射器的光发射器，并被配置为接收从所述光发射器发射的光信号，并通过所述多个多路复用器的多路复用器将所述光信号发送到所述多个节点间波导的节点间波导；

在所述板上形成的多个反射镜，每个反射镜被配置成部分地反射在所述多个节点间波导的节点间波导上传播的光信号，以产生反射光信号；

在板上形成的多个接收波导，使得至少一个接收波导穿过所述至少一个节点间波导，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层，每个接收波导光连接到所述多个光接收器中的光接收器，并且被配置为接收所述多个反射镜的反射镜产生的所述反射光信号，并将所述反射光信号传输给所述光接收器；以及在所述板上形成的多个滤光器，每个滤光器被配置为在由接收所述反射光信号的所述至少一个接收波导将所述反射的光信号传输到所述光接收器之前，对由所述多个反射镜的反射镜产生的反射光信号施加权重。

2.如权利要求1所述的光子神经元件，其中：

所述多个光发射器包括第一光发射器，用于发射第一波长的第一光信号；以及第二光发射器，用于发射不同于第一波长的第二波长的第二光信号；以及所述多个节点间波导包括节点间波导，以传播所述第一波长的所述第一光信号和所述第二波长的所述第二光信号。

3.根据权利要求2所述的光子神经元件，其中所述多个反射镜包括至少一个具有取决于波长的反射系数的反射镜。

4.根据权利要求3所述的光子神经元件，其中所述多个滤光器包括具有施加的取决于所述波长的权重的光谱滤光器。

5.根据权利要求1所述的光子神经元件，其中所述多个多路复用器包括多路复用器，所述多路复用器具有入射镜和y形波导结构，所述y形波导结构通过第一入口臂和出口臂连接到所述节点间波导，所述多路复用器多路复用所述输入光信号到所述节点间波导上，所述入射镜被配置为接收由所述多个发射波导的发射波导发射的光信号作为输入光信号，并反射所述输入光信号，以产生进入所述y形波导结构的第二入口臂的反射光信号，并加入在所述节点间波导上传播的光信号，其中所述第二入口臂与所述y形波导结构的所述第一入口臂相交。

6.根据权利要求1所述的光子神经元件，其中所述多个滤光器包括可更换的滤光器，所述可更换的滤光器可被更换以改变所述权重。

7.根据权利要求1所述的光子神经元件，其中所述多个滤光器包括可变滤光器，所述可变滤光器的透明度可以改变以改变所述权重。

8.根据权利要求1所述的光子神经元件，还包括安装在所述板上的多个半导体芯片，所述多个半导体芯片中的每一个包括至少一个光发射器或至少一个光接收器。

9.如权利要求8所述的光子神经元件，其中：

所述多个半导体芯片包括光发射器芯片和光接收器芯片，每个光发射器芯片包括所述多个光发射器中的一个或多个，并且每个光接收器芯片包括所述多个光接收器中的一个或多个；以及所述光发射器芯片包括：第一光发射器芯片，其一个或多个光发射器发射第一波长的第一光信号；以及第二光发射器芯片，其一个或多个光发射器发射不同于第一波长的第二波长的第二光信号。

10.如权利要求9所述的光子神经元件，其中：

每个所述光发射器芯片包括相同数量的光发射器；

每个所述光接收器芯片包括相同数量的光接收器；

包括在每个所述光发射器芯片中的光发射器的数量与包括在每个所述光接收器芯片中的光接收器的数量相同；以及通过所述多个发射波导连接到每个所述光发射器芯片的节点间波导的数量与每个所述光发射器芯片中包括的光发射器的数量和每个所述光接收器芯片中包括的光接收器的数量相同。

11.如权利要求8所述的光子神经元件，其中：

所述多个半导体芯片中的每一个被定位使得包括在半导体芯片中的至少一个光发射器或包括在所述半导体芯片中的至少一个光接收器面向板；

所述多个发射波导通过入射镜连接到所述多个光发射器，所述入射镜被配置为将光从垂直于所述板的方向重定向到平行于所述板的方向；以及所述多个接收波导通过出射镜连接到所述多个光接收器，所述出射镜被配置为将光从平行于所述板的所述方向重定向到垂直于所述板的所述方向。

12.如权利要求8所述的光子神经元件，还包括：

多个节点内信号线，每个节点内信号线连接到所述多个光接收器中的相应光接收器和所述多个光发射器中的相应光发射器，并且被配置为接收表示由所述光接收器接收的光信号的功率的电信号，并将所述电信号发送到所述光发射器，从而连接所述光接收器和所述光发射器以形成神经元的输入和输出。

13.根据权利要求12所述的光子神经元件，其中对于经由节点内信号线连接到光发射器的所述多个光接收器中的每一个，所述多个反射镜包括至少一个反射镜，其反射的光信号被传输到所述光接收器，该接收器的反射系数对于所述光发射器发射的所述光信号的波长基本为零。

14.根据权利要求1所述的光子神经元件，其中所述多个节点间波导，所述多个发射波导和所述多个接收波导由所述板的单层中的聚合物制成。

15.根据权利要求1所述的光子神经元件，其中所述多个光发射器被分成差分对，其中差分对的第一光发射器发射可变光信号，而所述差分对的第二光发射器发射参考光信号。

16.根据权利要求15所述的光子神经元件，还包括安装在所述板上的多个半导体芯片，所述多个半导体芯片中的每一个包括所述差分对中的一个或多个。

17.根据权利要求16所述的光子神经元件，其中所述多个半导体芯片中的每一个包括两个或更多个所述差分对。

18.如权利要求1所述的光子神经元件，其中：

所述多个节点间波导包括具有被布置为同心环的两个或更多个节点间波导的第一环；

所述多个光发射器包括具有设置在所述第一环内的两个或更多个光发射器的第一内部光发射器组；以及所述多个光接收器包括具有设置在所述第一环内的两个或更多个光接收器第一内部光接收器组。

19.如权利要求18所述的光子神经元件，其中：

所述多个反射镜包括第一反射镜组，所述第一反射镜组的每个反射镜被配置成部分地反射在所述第一环的节点间波导上传播的光信号，以产生所述反射光信号；以及所述光子神经元件还包括形成在所述板上的多个第一输出波导，使得至少一个第一输出波导穿过所述第一环的至少一个节点间波导，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或者包层，每个第一输出波导连接到所述第一环的外部，并被配置为接收由所述第一反射镜组的第一反射镜产生的所述反射光信号，并将所述反射的光信号传输到所述第一环外部。

20.根据权利要求19所述的光子神经元件，还包括形成在所述板上的第一输出滤光器，所述第一输出滤光器被配置为在通过接收所述反射光信号的所述第一输出波导将所述发射的光信号传输到所述第一环外部之前，将所述权重施加到由所述多个反射镜的所述反射镜产生的所述反射光信号。

21.根据权利要求20所述的光子神经元件，其中，所述多个光接收器包括第一外部光接收器组，所述第一外部光接收器组具有布置在所述第一环外部的两个或更多个光接收器，所述第一外部光接收器组的每个所述光接收器连接到所述多个第一输出波导的第一输出波导，并被配置为接收所述第一输出波导发射的所述反射光信号。

22.如权利要求21所述的光子神经元件，其中：

所述多个节点间波导包括具有布置为同心环的两个或更多个节点间波导的第二环；

所述多个光发射器包括：具有设置在所述第二环内的两个或更多个光发射器的第二内部光发射器组，以及具有设置在所述第二环外部的两个或更多个光发射器的第二外部光发射器组；

所述多个光接收器包括具有设置在第二环内的两个或更多个光接收器的第二光接收器组；

所述多个多路复用器包括第二多路复用器组，所述第二多路复用器组的每个多路复用器被配置为将所述输入光信号多路复用到所述第二环的节点间波导上；

所述光子神经元件还包括形成在所述板上的多个第二输入波导，使得至少一个第二输入波导穿过所述第二环的节点间波导中的至少一个，其中一个交叉波导的核心穿过另一交叉波导的核心或包层，每个第二输入波导光连接到所述第二外部光发射器组的光发射器，并配置成接收从所述光发射器发射的光信号并将所述光信号通过所述第二多路复用器组的多路复用器发送到所述第二环的节点间波导；以及所述光子神经元件还包括多个节点内信号线，其中所述多个节点内信号线包括多个环内的节点内信号线，每个环内的节点内信号线连接到所述第一外部光接收器组的光接收器和所述第二外部光发射器组的光发射器，并且被配置为接收表示由所述光接收器接收的光信号的功率的电信号，并将所述电信号发送到光发射器，从而连接所述光接收器和所述光发射器以形成神经元的输入和输出。

23.如权利要求18所述的光子神经元件，其中：

所述多个多路复用器包括第一多路复用器组，所述第一多路复用器组的每个多路复用器被配置为将所述输入光信号多路复用到所述第一环的节点间波导上；以及所述光子神经元件还包括形成在所述板上的多个第一输入波导，使得至少一个第一输入波导穿过所述第一环的至少一个节点间波导，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导核心或包层，每个第一输入波导连接到所述第一环外部，并配置成从所述第一环外部接收光信号，并通过所述第一多路复用器组的多路复用器将所述光信号发送到所述第一环的节点间波导。

24.如权利要求23所述的光子神经元件，其中，所述多个光发射器包括具有设置在所述第一环外部的两个或更多个第一光发射器的第一外部光发射器组，所述第一外部光发射器组的每个所述第一光发射器光连接到所述多个第一输入波导的第一输入波导，并配置成发射将由所述第一输入波导传输的光信号。

25.如权利要求24所述的光子神经元件，其中：

所述多个节点间波导包括被布置为同心环的具有两个或更多个节点间波导的第二环；

所述多个光发射器包括具有设置在所述第二环内的两个或更多个光发射器的第二内部光发射器组；

所述多个光接收器包括：具有设置在所述第二环内的两个或更多个光接收器的第二光接收器组，以及具有设置在所述第二环外部的两个或更多个光接收器的第二外部光接收器组；

所述多个反射镜包括第二反射镜组，所述第二反射镜组的每个反射镜被配置成部分地反射在所述第二环的节点间波导上传播的光信号，以产生所述第二环的反射光信号；

所述光子神经元件还包括形成在所述板上的多个第二输出波导，使得至少一个第二输出波导穿过所述第二环的至少一个节点间波导，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层，每个第二输出波导光连接到所述第二外部光接收器组的光接收器，并配置成接收由所述第二反射镜组的反射镜产生的所述第二环的所述反射光信号，并将所述第二环的所述反射的光信号传输到所述光接收器；以及所述多个节点内信号线包括多个环之间的节点内信号线，每个环之间的节点内信号线连接到所述第一外部光接收器组的光发射器和所述第二外部光接收器组的光接收器，并被配置为接收表示所述光接收器接收的光信号的功率的电信号，并将所述电信号发送给所述光发射器，从而连接所述光接收器和所述光发射器以形成神经元的输入和输出。

说明书

光子神经元件

技术领域

[0001] 本发明一般涉及用于光子神经元件的波导架构，更具体地涉及用于神经网络的光子神经元件的波导架构。

背景技术

[0002] 非传统的神经形态计算架构，例如神经网络和储备池计算，已经在性能方面显示出前景，但是用于互连神经元的传统电子方法已经遇到一些限制。例如，由于需要时间复用，IBM TrueNorth系统的处理速度在kHz范围内。最近，人们对将令人兴奋的光电子器件作为潜在地提高速度限制的办法产生了兴趣。(参见，例如，A.N.Tait等人，“Broadcast and Weight：An Integrated Network For Scalable Photonic Spike Processing(广播和权重：可扩展光子尖峰处理的集成网络)”，J.Light.Tech.(光技术期刊)32，3427，2014；MA Nahmias等人，“An integrated analog O/E/O link for multi-channel laser neurons(用于多通道激光神经元的集成模拟O/E/O链路)“Appl.Phys.Lett.(应用物理快报)108，151106(2016)；以及K.Vandoorne等人，”Experimental demonstration of reservoir computing on a silicon photonics chip(硅光子芯片上储备池计算的实验演示)“，Nature Communication(自然通讯)5，3541，2014)。然而，这种尝试受到非常高的功耗和光损耗的限制。同时，近来可以制造具有非常低损耗的波导交叉结构。(参见，例如，N.Bamiedakis等人，“Low Loss and Low Crosstalk Multimode Polymer Waveguide Crossings for High-Speed Optical Interconnects(用于高速光互连的低损耗和低串扰多模聚合物波导交叉)”2007 Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO)(2007激光与电光会议)，CMG1)。

发明内容

[0003] 根据本发明的实施例，提供了一种能够克服伴随现有技术的上述缺点的光子神经元件。光子神经元件包括多个光发射器、多个光接收器、在板上形成的多个节点间波导，在板上形成的多个多路复用器、每个多路复用器被配置为将输入光信号多路复用到多个节点间波导的节点波导，在板上形成的多个发射波导，使得至少一个发射波导穿过至少一个节点间波导，其中一个交叉波导的核心穿过另一个的交叉波导的核心或包层，每个发送波导光连接到多个光发射器的光发射器，并被配置成接收从光发射器发射的光信号，并将接收的光信号通过多个多路复用器的多路复用器发送到多个节点间波导的节点间波导，在板上形成的多个反射镜，每个反射镜部分地反射在多个节点间波导的节点间波导上传播的光信号，以提供反射光信号，在板上形成的多个接收波导，使得至少一个接收波导穿过至少一个节点间波导，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层，每个接收波导光连接到多个光接收器的光接收器并被配置为接收由多个反射镜的反射镜产生的反射光信号，并将反射的光信号传输到光接收器，以及在板子上形成的多个滤光器，每个滤光器配置成在接收反射光信号的接收波导将反射光信号发送到光接收器之前，对多个反射镜中的反射镜产生的反射光信号施加权重。光子神经元件可以在提高传统电子方法的速度限制的同时支持设计灵活性。

[0004] 根据本发明的实施例，多个光发射器可以包括发射第一波长的光信号的第一光发射器和发射不同于第一波长的第二波长的光信号的第二光发射器，并且节点间波导可以包括传播第一波长的光信号和第二波长的光信号的节点间波导。多个反射镜可包括反射系数取决于波长的反射镜。多个滤光器可以包括光谱滤光器，其应用的权重取决于波长。具有这些特征的光子神经元件可以支持节点间波导上的光信号的波分复用(WDM)，减少了所需的节点间波导的数量。

[0005] 根据本发明的实施例，多个多路复用器包括多路复用器，该多路复用器具有入射镜和y形波导结构，该y形波导结构通过第一入口臂和出口臂连接到节点间波导，在节点间波导上多路复用器多路复用其输入信号，入射镜配置成接收由多个波导的发射波导发射的光信号作为输入信号，并将输入信号反射以产生进入y形波导结构的第二入口臂的反射光信号，并加入在节点间波导上传播的光信号，其中第二入口臂与y形波导结构的第一入口臂相交。光子神经元件可以支持节点间波导上的光信号的复用，从而减少了所需的节点间波导的数量。

[0006] 根据本发明的实施例，多个滤光器包括可更换的滤光器，其可被更换以改变所施加的权重。光子神经元件可以支持包括光子神经元件的神经网络的调谐。

[0007] 根据本发明的实施例，多个滤光器包括可变滤光器，其透明度可以改变以改变所施加的权重。光子神经元件可以支持包括光子神经元件的神经网络的调谐。

[0008] 根据本发明的实施例，光子神经元件还包括安装在板上的多个半导体芯片，每个半导体芯片包括至少一个光发射器或至少一个光接收器。光子神经元件可以进一步支持设计灵活性。

[0009] 根据本发明的实施例，多个半导体芯片包括光发射器芯片和光接收器芯片，每个光发射器芯片包括一个或多个光发射器，以及每个光接收器芯片包括一个光发射器芯片，并且光发射器芯片包括第一光发射器芯片和第二光发射器芯片，第一光发射器芯片的一个或多个光发射器发射第一波长光信号，第二光发射器芯片的一个或多个光发射器发射与第一波长不同的第二波长的光信号。每个光发射器芯片包括相同数量的光发射器，每个光接收器芯片包括相同数量的光接收器，每个光发射器芯片中包括的光发射器的数量可以与每个光接收器芯片中包括的接收器的数量相同，并且经由发送波导连接到每个光发射器芯片的节点间波导的数量可以与包括在每个光发射器芯片中的光发射器的数量、每个光接收器芯片中包括的光接收器的数量相同。光子神经元件可以支持节点间波导上的光信号的设计灵活性和多路复用，减少了所需的节点间波导的数量。

[0010] 根据本发明的实施例，每个半导体芯片可以被布置成使得包括在芯片中的至少一个光发射器或包括在芯片中的至少一个光接收器面向板，发送波导可以通过入射镜连接到光发射器，入射镜被设置成将光从垂直于板的方向重定向到平行于板的方向，并且接收波导可以通过出射镜连接到光接收器，所述出射镜被布置成将光从与电路板平行的方向重定向到垂直于电路板的方向。光子神经元件可以通过支持使用在板上形成的波导来进一步支持设计灵活性。

[0011] 根据本发明的实施例，光子神经元件还包括多个节点内信号线，每个节点内信号线连接到多个光接收器的光接收器和多个光发射器的光发射器，并且被配置为接收表示光接收器接收的光信号的功率的电信号，并将电信号发送给光发射器，从而连接光接收器和光发射器，形成神经元的输入和输出。对于经由节点内信号线连接到光发射器的每个光接收器，多个反射镜包括反射镜，其反射光信号被传输到光接收器并且其反射系数对于由光发射器发射的光信号的波长基本为零。光子神经元件可以作为神经网络或其一部分支持光子神经元件的功能。

[0012] 根据本发明的实施例，节点间波导、发射波导和接收波导可以由板的单层中的聚合物制成。光子神经元件可以支持设计灵活性，同时减少光损耗。

[0013] 根据本发明的实施例，多个光发射器被分成差分对，其中差分对的光发射器之一发射可变光信号，而差分对的另一个光发射器发射参考光信号。光子神经元件还可包括安装在板上的多个半导体芯片，每个半导体芯片包括一个或多个差分对。每个半导体芯片可包括两个或更多个差分对。光子神经元件可以作为神经网络或其一部分支持光子神经元件的功能。

[0014] 根据本发明的实施例，所述多个节点间波导包括被布置为同心环的具有两个或更多个节点间波导的第一环，多个光发射器可包括具有设置在第一环内的两个或更多个光发射器的第一内部光发射器组，并且多个光接收器可包括具有设置在第一环内的两个或更多个光接收器的第一内部光接收器组。光子神经元件可以作为神经网络或其一部分支持光子神经元件输入/输出功能和可扩展性。

[0015] 根据本发明的实施例，多个反射镜包括第一反射镜组，第一反射镜组的每个反射镜部分地反射在第一环的节点间波导上传播的光信号，以提供反射光信号，并且光子神经元件还可以包括形成在板上的多个第一输出波导，使得第一输出波导中的至少一个穿过第一环的节点间波导中的至少一个，其中一个交叉波导穿过另一个交叉波导的核心或包层，每个第一输出波导连接到第一环的外部，并被配置为接收由第一反射镜组的反射镜产生的反射光信号并将反射的光信号发送到在第一环之外。光子神经元件还可以包括形成在板上的第一输出滤光器，第一输出滤光器被配置为在反射光信号被由接收反射的光信号的第一环的输出波导传输到第一环之外之前将权重应用于由多个反射镜的反射镜产生的反射光信号。多个光接收器可包括第一外部光接收器组，其具有设置在第一环外部的两个或更多个光接收器，第一外部光接收器组的每个光接收器连接到多个第一输出波导的第一输出波导并配置成接收由第一输出波导传输的反射光信号。多个节点间波导可以包括被布置为同心环的具有两个或更多个节点间波导的第二环，所述多个光发射器可以包括具有布置在第二环内部的两个或多个光发射器的第二内部光发射器组，和具有设置在第二环外部的两个或更多个光发射器的第二外部光发射器组，多个光接收器可包括具有设置在第二环内的两个或更多个光接收器的第二光接收器组，多个多路复用器可以包括第二多路复用器组，第二多路复用器组的每个多路复用器被配置为将输入光信号多路复用到第二环的节点间波导上，光子神经元件还可以包括在板上形成的多个第二输入波导，使得第二输入波导中的至少一个穿过第二环的节点间波导中的至少一个，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层，每个第二输入波导光连接到第二外部光发射器组的光发射器并被配置为接收从光发射器发射的光信号，并通过第二多路复用器组的多路复用器将接收的光信号发送到第二环的节点间波导，并且多个节点内信号线可包括多个环间节点内信号线，每个环间节点内信号线连接到第一外部光接收器组的光接收器和第二外光发射器组的光发射器，并配置成接收表示光接收器接收的光信号的功率的电信号，并将电信号发送到光发射器，从而连接光接收器和光发射器以形成神经元的输入和输出。光子神经元件可以作为神经网络或其一部分支持光子神经元件的输入/输出功能和可扩展性。

[0016] 根据本发明的实施例，多个多路复用器包括第一多路复用器组，第一多路复用器组的每个多路复用器被配置为将输入光信号多路复用到第一环的节点间波导上，并且光子神经元件还包括在板上形成的多个第一输入波导，使得至少一个第一输入波导穿过第一环的节点间波导中的至少一个，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层，每个第一输入波导连接到第一环的外部，并被配置为从第一环外部接收光信号，并通过第一个多路复用器组的多路复用器将接收的光信号发送到第一环的节点间波导，所述多个光发射器可包括具有设置在所述第一环外部的两个或更多个所述光发射器的第一外光发射器组，所述第一外光发射器组的每个第一光发射器光连接到所述多个第一输入波导中的第一输入波导，并且被配置为发射将由第一输入波导传输的光信号。多个节点间波导可以包括被布置为同心环的具有两个或更多个节点间波导的第二环，所述多个光发射器可以包括具有布置在第二环内部的两个或更多个光发射器的第二内部光发射器组，多个光接收器可包括具有设置在所述第二环内的两个或更多个光接收器的第二光接收器组；以及具有设置在所述第二环外部的两个或更多个所述光接收器的第二外部光接收器组，所述多个反射镜可包括第二反射镜组，所述第二反射镜组的每个反射镜配置成部分反射在所述第二环的节点间波导上传播的光信号以提供反射光信号，所述光子神经元件还可包括形成在板上的多个第二输出波导，使得至少一个第二输出波导穿过第二环的节点间波导中的至少一个，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层，每个第二输出波导光连接到第二外部光接收器的光接收器组，并被配置为接收第二反射镜组的反射镜产生的反射光信号，并将反射光信号传输至光接收器，多个节点内信号线可包括多个环内节点信号，每个环之间的节点内信号线连接到第一外部光接收器组的光发射器和第二外部光接收器组的光接收器，并且被配置为接收表示由光接收器接收的光信号的功率的电信号，并将电信号发送到光发射器，从而连接光接收器和光发射器以形成神经元的输入和输出。光子神经元件可以作为神经网络或其一部分支持光子神经元件的输入/输出功能和可扩展性。

[0017] 发明内容条纹不一定描述本发明的实施例的所有特征。本发明还可以是上述特征的组合或子组合，包括来自上述两个或更多个方面的特征的组合。从以下结合附图对实施例的描述，本发明的上述和其他特征和优点将变得更加明显。

附图说明

[0018] 图1示出了根据本发明实施例的用于光子神经元件的波导结构的示例示意图；

[0019] 图2示出了图1中所示的波导结构的区域的示例示意图；

[0020] 图3示出了图1所示的包括反射镜的反射系数的波导结构的示例性示意图；

[0021] 图4示出了图2中所示的包括任意重量的滤光器的波导结构的区域的示例性示意图；

[0022] 图5示出了其上形成有发射器芯片和发射波导的板的一部分的示例性示意侧视图；

[0023] 图6示出了其上形成有接收器芯片和接收波导的板的一部分的示例性示意侧视图；

[0024] 图7示出了根据本发明实施例的用于光子神经元件的波导结构的示例示意图；以及

[0025] 图8示出了根据本发明实施例的用于光子神经元件的波导结构的示例示意图。

具体实施方式

[0026] 在下文中，将描述本发明的示例实施例。实施例不应被解释为限制由权利要求限定的本发明的范围。实施例中描述的特征的组合不一定是本发明必不可少的。

[0027] 图1示出了根据本发明实施例的用于光子神经元件100的波导架构的示例示意图。使用图1中所示的波导架构，光子神经元件100可以通过具有低损耗的光信号传输经由形成的波导以便在板(例如，印刷电路板)上彼此交叉来支持光子尖峰计算。因此，所公开的波导架构可以在提高传统电子方法的速度限制的同时允许设计灵活性(例如，布局，材料等)。光子神经元件100包括多个光发射器芯片110A至110D，多个光接收器芯片120A至120D，多个节点间波导130-1至130-4，多个多路复用器140A至140D，多个发射波导150A-1至150D-4，多个反射镜160A至160D，多个接收波导170A-1至170D-4，多个滤光器180A至180D，以及多个节点内信号线190A-1至190D-4。由于空间有限，在多个发射波导150A-1至150D-4中，在图1中仅给出发射波导150C-1至150C-4的附图标记。类似地，在多个接收波导170A-1至170D-4中，在图1中仅对接收波导170C-1至170C-4给出了附图标记，并且在多个节点内信号线190A-1至
190D-4中在图1中仅给出了节点内信号线190A-1至170D-1的附图标记，但是，图1中描绘的发射波导、接收波导和节点内信号线的省略的附图标记可以通过参考整个本公开，同时理解字母后缀A至D表示相应的光发射器芯片110A至110D和光接收器芯片120A至120D，并且理解数字后缀-1至-4指的是相应的节点间波导130-1至130-4。

[0028] 光发射器芯片110A包括多个光发射器110A-1至110A-4。光发射器芯片110B、110C和110D类似地分别包括多个光发射器110B-1至110B-4、110C-1至110C-4和110D-1至110D-4，但是仅为了便于说明，仅示出了光发射器110A-1至110A-4。光发射器110A-1至110D-4中的每一个可以是例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，使得光发射器芯片110A至110D中的每一个可以包括具有VCSEL作为光发射器包括其中的VCSEL阵列。由光发射器芯片110A至
110D之一中的多个光发射器发射的光信号可以以与光发射器芯片110A至110D中的另一个中的多个光发射器发射的光信号以不同的波长发射。因此，多个光发射器110A-1至110D-4可以包括发射第一波长光信号的第一光发射器110A-1和发射不同于第一波长的第二波长光信号的第二光发射器110B-1。光发射器芯片110A至110D可以是安装在板(例如印刷电路板)上的半导体芯片。以这种方式，安装在板上的多个半导体芯片可以包括光发射器芯片(例如，光发射器芯片110A和110B)，每个光发射器芯片包括一个或多个光发射器(例如，光发射器芯片110A的光发射器110A-1，光发射器芯片110B的光发射器110B-1)，并且光发射器芯片可包括其一个或多个光发射器以第一波长发射光信号的第一光发射器芯片(例如，光发射器芯片110A)，以及其一个或多个光发射器以不同于第一波长的第二波长发射光信号的第二光发射器芯片(例如，光发射器芯片110B)。

[0029] 多个光发射器110A-1至110D-4可以被划分为差分对，其中差分对的光发射器之一发射可变光信号，而差分对的另一个光发射器发射参考光信号。例如，每个光发射器芯片(例如，光发射器芯片110A)的第一和第二光发射器(例如，光发射器110A-1和110A-2)可以是分别发射可变光信号和参考光信号的差分对。以这种方式，光发射器芯片110A至110D中的每一个可以包括一个或多个差分光发射器对。类似地，每个光发射器芯片(例如，光发射器芯片110A)的第三和第四光发射器(例如，光发射器110A-3和110A-4)可以是分别发射可变光信号和参考光信号的差分对。因此，光发射器芯片110A至110D中的每一个可以包括两个或更多个差分光发射器对。作为示例，在差分对光发射器110A-1和110A-2中，光发射器110A-1可以发射具有可变功率“SigA1”的可变光信号，并且光发射器110A-2可以发射具有恒定功率“RefA1”的参考光信号，使得该差分对可以发送对应于SigA1-RefA1的差分功率的信号值。或者，在差分对中，光发射器110A-1可以发射可变光信号“SigA1_positive”，并且光发射器110A-2可以发射可变光信号“SigA1_negative”，其是“SigA1_positive”的反转信号。在该实现中，信号值可以通过1/2(SigA1_positive-SigA1_negative)来计算。如在本公开中所描述的，这些信号之一(正或负)可以被称为“可变”而另一个被称为“参考”。

[0030] 光接收器芯片120A包括多个光接收器120A-1至120A-4。光接收器芯片120B、120C和120D类似地分别包括多个光接收器120B-1至120B-4、120C-1至120C-4和120D-1至120D-4，但是仅为了便于说明，仅示出了光接收器120A-1至120A-4。光接收器120A-1至120D-4中的每一个可以是例如光电二极管，使得光接收器芯片120A至120D中的每一个可以包括具有光电二极管作为其中包括的光接收器的光电二极管阵列。光接收器芯片120A至120D可以是安装在板(例如印刷电路板)上的半导体芯片。该板可以是安装光发射器芯片110A至110D的同一板。以这种方式，安装在板上的多个半导体芯片可以包括光接收器芯片(例如，光接收器芯片120A和120B)，每个光接收器芯片包括一个或多个光接收器(例如，光接收器芯片
120A的光接收器120A-1，光接收器芯片120B的光接收器120B-1)。更一般地，安装在板上的每个半导体芯片可以包括至少一个光发射器(例如，光发射器110A-1)或至少一个光接收器(例如，光接收器120A-1)。

[0031] 在板(例如，印刷电路板)上形成多个节点间波导130-1至130-4，并且其可以由板的单层中的聚合物制成。(注意，板上的“上”不限于在板的上层中形成，并且包括在板内部的形成。)多个节点间波导130-1至130-4可以形成在同一板上，其中安装了光发射器芯片110A至110D和/或光接收器芯片120A至120D。多个节点间波导130-1至130-4可以布置为同心环，例如圆形、椭圆形、椭圆、圆角正方形或矩形、圆形五边形或任何其他圆形多边形或可以布置为同心环的其他形状。在多个光发射器110A-1至110D-4包括发射第一波长的光信号的第一光发射器110A-1和发射与第一波长不同的第二波长的光信号的第二光发射器110B-
1的情况下，节点间波导130-1至130-4可以包括传播第一波长的光信号和第二波长的光信号的节点间波导。所有节点间波导130-1至130-4可以以多个波长传播光信号。

[0032] 在板(例如，印刷电路板)上形成多个多路复用器140A至140D，每个多路复用器140A至140D被配置为将输入光信号多路复用到多个节点间波导130-1至130-4的节点间波导上。例如，多路复用器140A可以被配置为将输入光信号多路复用到节点间波导130-1至
130-4中的每一个上。类似地，多路复用器140B至140D中的每一个可以被配置为将输入光信号多路复用到节点间波导130-1至130-4的每个上。多个多路复用器140A至140D可以形成在：形成节点间波导130-1至130-4的同一板上，和/或安装光发射器芯片110A至110D和/或安装光接收器芯片120A至120D的同一板上。

[0033] 在板(例如，印刷电路板)上形成多个发射波导150A-1至150D-4，使得发射波导150A-1至150D-4中的至少一个穿过节点间波导130-1至130-4中的至少一个，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层。多个发射波导150A-1至150D-4可以形成在：形成节点间波导130-1至130-4的同一板上；和/或安装光发射器芯片110A至110D和/或安装光接收器芯片120A至120D的同一板上。发射波导150A-1至150D-4和节点间波导130-1至130-4可以由板的单层中的聚合物制成。每个发送波导150A-1至150D-4可以光连接到多个光发射器110A-1至110D-4中的光发射器，并且被配置为接收从光发射器发射的光信号并将接收的光信号经由多个多路复用器140A至140D的多路复用器发送到多个节点间波导
130-1至130-4的节点间波导。在图1所示的示例中，不与任何节点间波导130-1至130-4交叉的发送波导150A-1(省略附图标记)光连接到光发射器110A-1(如通过其定位示意性地示出)，并且被配置为接收从光发射器110A-1发射的光信号，并且经由多路复用器140A将接收的光信号发送到节点间波导130-1。类似地，发射波导150A-2(省略附图标记)光连接到光发射器110A-2并且被配置为接收从光发射器110A-2发射的光信号并将接收的光信号通过多路复用器140A发送到节点间波导130-1。然而，与发送波导150A-1不同，发送波导150A-2穿过节点间波导130-1至130-4中的至少一个，即节点间波导130-1。由于发射波导150A-2和节点间波导130-1的透明性，发射波导150A-2的核心可以穿过节点间波导130-1的核心或包层，到通向节点间波导130-2的路上。或者，节点间波导130-1的核心可以穿过发射波导
150A-2的核心或包层。为了减少交叉波导之间的光信号的串扰(例如，来自一个波导的光信号的一部分与另一个波导中的光信号组合)，交叉点处的交叉波导之间的角度可以接近或基本上为90度。正如发射波导150A-1和150A-2光连接并配置成接收从各个光发射器110A-1和110A-2发射的光信号，并将接收的光信号发射到各个节点间波导130-1以及130-2，多个发射波导150A-1至150D-4可以光连接并配置成接收从各个光发射器150A-1至150D-4发射的光信号，并将接收的光信号发射到节点间波导130-1至130-2中，应理解的是，字母后缀A至D指的是相应的光发射器芯片110A至110D，并且理解的是，数字后缀-1至-4指的是相应的光发射器110A-1至110D4和节点间波导130-1至130-4。

[0034] 在板(例如，印刷电路板)上形成多个反射镜160A至160D，每个反射镜160A至160D布置成部分地反射在多个节点间波导130-1至130-4的节点间波导上传播的光信号以产生反射光信号。例如，反射镜160A可以部分地反射在节点间波导130-1至130-4的每一个上传播的光信号。类似地，反射镜160B至160D中的每一个可以部分地反射在节点间波导130-1至130-4的每一个上传播的光信号。如整个本公开所使用的，术语“反射镜”可以指布置为反射镜阵列的多个反射镜元件。例如，反射镜160A可以包括多个反射镜元件，其分别反射在节点间波导130-1、130-2、130-3和130-4的每一个或其多个上传播的光信号。而且，术语“反射镜”可以指这种反射镜阵列的单个反射镜元件。多个反射镜160A至160D可以形成在：形成节点间波导130-1至130-4的同一板上；和/或安装光发射器芯片110A至110D和/或光接收器芯片120A至120D的同一板上。

[0035] 在板(例如，印刷电路板)上形成多个接收波导170A-1至170D-4，使得接收波导170A-1至170D-4中的至少一个穿过节点间波导130-1至130-4的至少一个，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层。多个接收波导170A-1至170D-4可以形成在：
形成节点间波导130-1至130-4的同一板上；和/或安装光发射器芯片110A至110D和/或光接收器芯片120A至120D的同一板上。接收波导170A-1至170D-4，发射波导150A-1至150D-4，以及节点间波导130-1至130-4可以由板的单层中聚合物制成。每个接收波导170A-1至170D-4可以光连接到多个光接收器120A-1至120D-4中的光接收器，并且被配置为接收由多个反射镜160A至160D的发射镜产生的反射光信号，并将反射的光信号发送到光接收器。在图1所示的例子中，不与任何节点间波导130-1至130-4交叉的接收波导170A-1(附图标记省略)光连接到光接收器120A-1并且被配置为接收由反射镜160A产生的反射光信号，并将反射的光信号发送到光接收器120A-1。类似地，接收波导170A-2(省略附图标记)光连接到光接收器
120A-2，并且被配置为接收由反射镜160A产生的反射光信号，并将反射的光信号发送到光接收器120A-2。然而，与接收波导170A-1不同，接收波导170A-2穿过节点间波导130-1至
130-4中的至少一个，即节点间波导130-1。由于接收波导170A-2和节点间波导130-1的透明性，接收波导170A-2的核心可以穿过节点间波导130-1的核心或包层，去往通向光接收器
120A-2的途中。或者，节点间波导130-1的核心可以穿过接收波导170A-2的核心或包层。为了减少交叉波导之间的光信号的串扰(例如，来自一个与另一个波导中的光信号组合的波导的光信号的一部分)，交叉波导处的交叉波导之间的角度可以接近或基本上为90度。正如接收波导170A-1和170A-2光连接到相应的光接收器120A-1和120A-2并且被配置为接收由反射镜160A产生的反射光信号并将反射的光信号传输到相应的光接收器120A和120A-2，多个发射波导170A-1至170D-4可以光连接到相应的光接收器120A-1至120A-4，并且被配置为接收由反射镜160A至160D产生的反射光信号并且将反射的光信号传输到各个光接收器
120A-1至120D-4，同时理解字母后缀A至D指的是相应的光接收器芯片120A至120D，并且理解后缀-1至-4的数字指的是相应的光接收器120A-1至120D4。

[0036] 在板(例如，印刷电路板)上形成多个滤光器180A至180D，每个滤光器180A至180D被配置为在通过接收反射光信号的接收波导170A-1至170D-4将反射光信号发送到光接收器120A-1至120D-4之前，对由多个反射镜160A至160D的反射镜产生的反射光信号施加权重。例如，滤光器180A可以被配置为在由接收波导170A-1至170A-4将反射的光信号发送到光接收器120A-1至120A-4之前，将权重应用于由反射镜160A产生的反射光信号。类似地，滤光器180B至180D中的每一个可以被配置为在反射的光信号被分别发送到光接收器120B-1至120B-4，120C-1至120C-4，以及120D-1至120D-4之前，分别对由反射镜180B至180D产生的反射光信号施加权重。多个滤光器180A至180D可以形成在：形成节点间波导130-1至130-4的同一板上；和/或安装光发射器芯片110A至110D和/或光接收器芯片120A至120D的同一板上。如整个本公开所使用的，术语“滤光器”可以指布置为滤光器阵列的多个滤光器元件。例如，滤光器180A可以包括多个滤光器元件，其对由接收波导170A-1、170A-2、170A-3和170A-4的每一个上发送的光信号施加单独的权重。类似地，滤光器180B可以包括多个滤光器元件，其将单独的权重应用于在接收波导170B-1、170B-4、170B-3和170B-4的每一个中发送的光信号。

[0037] 节点内信号线190A-1至190D-4中的每一个连接至多个光接收器120A-1至120D-4中的光接收器以及多个光发射器110A-1至110D-4中的光发射器，并且被配置为接收由光接收器接收的光信号的功率表示的电信号，并将该电信号发送到光发射器，从而连接光接收器和光发射器以形成神经元的输入和输出。例如，节点内信号190A-1可以连接到光接收器120A-1和光发射器110A-1，并且被配置为接收由光接收器120A-1接收的光信号的功率表示的电信号，并且将该电信号发送到光发射器110A-1，从而连接光接收器120A-1和光发射器
110A-1以形成神经元的输入和输出。(各种波导，包括发射波导、接收波导和节点间波导，因此可以用作突触。)以这种方式，在图1所示的特定示例中，每组发射器芯片110和接收器芯片120具有相同的字母后缀(例如，发射器芯片110A和接收器芯片120A)可以包括两个或四个神经元，这取决于光发射器110A-1至110D-4是否被分成差分对。在差分对的情况下，例如，发射器芯片110A和接收器芯片120A的组可包括具有可变光发射器110A-1、参考光发射器110A-2、光接收器120A-1和120A、节点内信号线190A-1和190A-2的第一神经元，并且可包括具有可变光发射器110A-3、参考光发射器110A-4、光接收器120A-3和120A-4、以及节点内信号线190A-3和190A-4的第二神经元。然而，芯片对中的神经元的数量可以是任何数量。此外，在一些实施例中，光发射器和光接收器可以在单个芯片中实现。

[0038] 在图1中，光发射器芯片110A至110D中的每一个包括相同数量的光发射器(例如，用于光发射器芯片110A的四个光发射器110A-1至110A-4)并且光接收器芯片120A至120D的每一个包括相同数量的光接收器(例如，用于光接收器芯片120A的四个光接收器120A-1至120A-4)。此外，包括在光发射器芯片110A至110D中的每一个的光发射器的数量(例如，四个)与包括在光接收器芯片120A至120D中的每一个的光接收器的数量(例如，四个)相同。在这种情况下，经由发射波导连接到光发射器芯片的每一个的节点间波导130-1至130-4的数量(例如，四个，例如经由发射波导150A-1至150A-4连接到光发射器芯片110A的节点间波导
130-1至130-4或经由发射波导150A-1至150A-4连接到光发射器芯片110B的节点间波导
130-1至130-4)与包括在光发射器芯片中的每一个的光发射器的数量(例如，四个)和包括在光接收器芯片中的每一个的光接收器的数量(例如，四个)相同。通过将节点间波导130-1至130-4的数量与每个芯片的光发射器/接收器的数量相匹配，节点间波导130-1至130-4中的每一个可以专用于相同定位的每个芯片的光发射器/接收器，以定义通道，例如，对应于数字后缀-1至-4的通道。因此，例如，如果每个光发射器芯片(例如，光发射器芯片110A或
110B)的第二光发射器(例如，光发射器110A-2或110B-2)发射如上所述的差分信号的参考光信号，所有第二光发射器(例如，光发射器110A-2、110B-2、110A-3和110A-2)，所有第二光接收器(例如，光接收器120A-2、120B-2、120C-2，和120D-2)，所有第二发射波导(例如，发射波导150A-2、150B-2、150C-2和150D-2)，所有第二接收波导(例如，接收波导170A-2、170B-
2、170C-2和170D-2)中，以及节间波导130-2可以限定供多个差分光发射器对使用的参考通道。

[0039] 图2示出了图1中所示的波导结构的区域的示例图，即图1中的虚线圆圈所示的区域。如图2所示，多路复用器140A包括入射镜141A和y形状的波导结构142A-1，其通过第一入口臂和出口臂连接到节点间波导130-1，多路复用器140A在其上多路复用其输入信号，入射镜141A被配置为接收由多个波导的发射波导150A-1发射的光信号作为输入信号，并将输入信号反射以产生反射光信号，该反射光信号进入y形波导结构的第二入口臂并加入在节点间波导130-1上传播的光信号，其中第二入口臂与y形波导结构142A-1的第一入口臂相交。y形波导结构142A-1的第一入口臂和出口臂在物理上可以是节点间波导130-1的长度，例如，在第二入口臂与节点波导130-1相交形成y形波导结构142A-1的点的之前和之后的那些长度。因此，仅将y形波导结构142A-1的第二入口臂示出为与图2中的节点间波导130-1分开的结构。入射镜141A对于入射在发射波导150A-1一侧的光可具有基本为1的反射系数，同时对于入射在相对侧的光具有基本为0的反射系数。以这种方式，入射镜141A可以反射由发射波导150A-1发射的光信号，使得反射的光信号进入y形波导结构142-1的第二入口臂，同时允许光信号在节点间波导130-1传播以穿过以进入y形波导结构142-1的第一入口臂。

[0040] y形波导结构142-2至142-4可以具有相对于发射波导150-2至152-4和节点间波导130-2至130-4的相同功能，如同y-形状波导结构142-1相对于发射波导150-1和节点间波导
130-1具有相同功能。多路复用器140A可以指入射镜141A和每个y形波导结构142A-1至142-
4的组合。或者，多路复用器140A可以结合单个y形波导结构(例如，142A-1)的参考入射镜
141A，诸如图2示出共享入射镜141A的四个多路复用器140A。

[0041] 图3示出了图1中所示的波导架构的示例图，包括反射镜160A至160D的反射系数。由于空间有限，在图3中仅给出光发射器芯片110A至110D、光接收器芯片120A至120D、节点间波导130-1至130-4以及反射镜160A至160D的附图标记，并且没有示出了光发射器110A-1至110D-4或光接收器120A-1至110D-4的个体。此外，已经省略了光发射器芯片110A至110D和光接收器芯片120A至120D的标签“Tx”和“Rx”，并且在它们的位置中，每个光发射器芯片
110A至110D由相应的波长λA至λD标记。如这些标号所示，在图3所示的例子中，光发射器芯片110A至110D分别专用于相应的传输波长λA至λD。也就是说，由光发射器芯片110A的多个光发射器芯片110A-1至110A-4发射的光信号是波长λA，由光发射器芯片110B的多个光发射器芯片110B-1至110B-4发射的光信号是波长λB等。因此，例如，光发射器110A-1、110B-1、
110C-1和110D-1发射的光信号处于各自的波长λA、λB、λC、和λD，这四个不同波长的光信号分别通过发射波导150A-1、150B-1、150C-1和150D-1发射，并分别通过各自的多路复用器
140A、140B、140C和140D使用例如波分复用(WDM)，多路复用到最内部的节点间波导130-1上。类似地，光发射器110A-2、110B-2、110C-2和110D-2发射的光信号处于各自的波长λA、λB、λC和λD，并且可以分别通过传输波导150A-2、150B-2、150C-2和150D-2发送这四种不同波长的光信号，以及通过相应的多路复用器140A、140B、140C和140D使用例如波分复用(WDM)多路复用到下一个节点间波导130-2上。第三和第四通道可以相应地起作用。因此，四个波长λA、λB、λC和λD的光信号可以在四个节点间波导130-1至130-4中的每一个上传播。

[0042] 在图3所示的示例中，反射镜160A至160D被配置为使得每个芯片对(每对光接收器芯片和光发射器芯片)的光接收器芯片120A至120D接收由其他芯片对的光发射器芯片所发出的所有光信号。例如，反射镜160A被配置为使得光接收器芯片120A接收由光发射器芯片120B、120C和120D发射的所有光信号。具体地，如图3中的示例所示，反射镜160A的反射系数可以取决于波长。例如，对于不同波长具有不同透明度的布拉格滤光器或布拉格滤光器的组合可以用作反射镜160A至160D中的任何一个。利用图3所示的波导结构，在节点间波导
130-1至130-4上传播的光信号逆时针行进。因此，当光发射器芯片110D发射的光信号到达反射镜160A以反射到光接收器芯片120A时，光信号尚未到达反射镜160B和160C以反射到光接收器芯片120B和120C，并且必须允许相应地通过反射镜160A传输。当光发射器芯片110C发射的光信号到达光接收器120A时，光信号尚未到达镜160B并且必须相应地允许通过镜
160A传输。当光发射器芯片110C发射的光信号到达光接收器120A时，光信号不需要进一步前进(在不需要由作为光发射器芯片110C的相同芯片对的光接收器芯片110C接收的情况下)。

[0043] 基于这些原理，反射镜160A至160D可以如图3所示配置，使得(使用反射镜160A作为代表性示例)波长λD的反射系数约为0.33或三分之一，允许从光发射器芯片110D发射的光信号仍由两个光接收器芯片120B和120C接收，波长λC的反射系数约为0.5，允许从光发射器芯片110C发射的剩余的三分之二的光信号的一半仍然由一个光接收器芯片120B接收(前三分之一已被反射镜160D反射)，并且波长λB的反射系数约为1，例如，剩余的从光发射器芯片110C发射的光信号(在前三分之二已经被反射镜160C和160D反射之后)。至于波长λA的反射系数，它在图3中表示为0＊，因为在一些实施例中它可以是零，允许反射镜160A不反射从光发射器芯片110A发射的剩余光信号，或者假设在被反射镜160B、160C、160D反射之后没有这样的λA光信号的情况下，它可以是任意值。反射镜160B、160C和160D可以相应地配置，如图3所示。因此，对于通过节点内信号线190A-1至190D-4，与光发射器110A-1至110D-4连接的光接收器120A-1至120D-4中的每一个，多个反射镜160A至160D包括反射镜，其反射光信号被传输到光接收器，并且对于由光发射器发射的光信号的波长其反射系数基本上为零。利用这些反射系数λA至λD，来自每个光发射器的每个光信号可以被基本上反射并被分成具有基本相同功率的多个光信号(例如，在该实施例中是传输光信号的1/3而不考虑通过波导的光损耗)，每个分开的光信号可以通过相应的接收波导传播。

[0044] 图4展示图2中所示的波导架构的区域的实例图，其包括滤光器180A的任意权重。由于空间有限并且为了简单起见，在图4中仅给出节点间波导130-1至130-4、发射波导
150A-1至150A-4、反射镜160A、接收波导170A-1至170A-4和滤光器180A的附图标记。在图4所示的示例中，滤光器180A是光谱滤光器，其应用的权重取决于波长。图4的例子使用与图3相同的波长约定。即，波长λA、λB、λC和λD分别是由光发射器芯片110A、110B、110C和110D发射的光信号的波长。如通过关于图3的示例进一步描述的，这种四个波长的光信号可以在节点间波导130-1、130-2、130-3和130-4的每一个上传播，并且可以由反射镜160A发射，使得四个波长中的每一个的反射光信号(或四个中的三个，取决于反射镜160A至160D的配置)由每个接收波导170A-1、170A-2、170A-3和170A-4传输到光接收器芯片120A。通过使用光谱滤光器作为滤光器，可以不同地对每个波长的光信号进行加权。还应注意，对于接收波导
170A-1、170A-2、170A-3和170A-4中的每一个，加权方案可以是不同的，因为滤光器可以是包括如上所述的多个滤光器元件的滤光器阵列。

[0045] 在图4所示的具体示例中，针对接收波导170A-1、170A-2、170A-3和170A-4的每一个波长描述了任意权重。为简单起见，使用三种色调：白色代表相对“透明”的过滤，例如高权重；黑色代表相对“不透明”的过滤，例如低权重；灰色代表用中等重权过滤。然而，任何数量的权重等级都是可能的。在图4的示例中，第二和第四通道，例如，包括接收波导170A-2和170A-4的通道，用于差分对的参考光信号，因此它们被给予中级权重(灰色)以用于本例中的所有波长。针对第一和第三通道描绘的权重，例如包括接收波导170A-1和170A-3的通道，旨在表示权重的任意分布。以这种方式，滤光器180A可以单独地对由光发射器110A-1至
110D-4的每一个发射的光信号加权。类似地，滤光器180B、180C和180D可以通过使用相同或不同的权重分布来分别对由光发射器110A-1至110D-4的每一个发射的光信号加权。在一些实施例中，滤光器180A不需要对具有波长λA的光信号施加任何权重(或可以施加零权重)，因为反射镜160A至160D可以被配置为防止接收波导170A-1至170A-4接收具有波长λA的光信号(这种光信号已由相同芯片对的光发射器芯片110A发射)。对于其他滤光器180B至
180D，相同的情况也相应是真的。

[0046] 在一些实施例中，可以改变滤光器180A至180D的权重。例如，滤光器180A至180D可包括一个或多个可更换的滤光器，其可被更换，例如物理移除和更换，以改变所施加的权重。这种替换可以通过用户的手动操作来完成。相反，由连接到或包括在光子神经元件100中的控制器或计算机控制的操纵器或机构可以改变每个滤光器180A至180D或每个接收波导170A-1至170D-4上的各个滤光器元件。作为另一个例子，滤光器180A至180D可以包括一个或多个可变滤光器，其透明度可以改变以改变所施加的权重。改变透明度可以以各种方式实现，例如，使用液晶滤光器，其透明度可以通过改变驱动电压来改变，使用光衰减器来改变光的功率，将光信号分成几个子波导并选择性地转动ON和OFF光开关仅允许一部分子波导传播光信号。在将接收波导170A-1至170A-4的每一个上的光信号分成相应的波长λA、λB、λC和λD之后，可以采用这种用于改变透明度以调节权重的配置。结果，作为示例，不考虑通过波导的功率损耗，光接收器120D-1可以接收总功率为PRxD-1＝1/3(WλAD-1TTxA-1+WλBD-1TTxB-1+WλCD-1TTxC-1)的光信号，其中TTxA-1、TTxB-1和TTxC-1分别代表来自光发射机110A-1、110B-
1和110C-1的发射光信号的功率，WλAD-1、WλBD-1和WλCD-1是基于用于分别对接收波导170D-1的滤光器180A的透明系数在波长λA，λB和λC的权重，光接收器120D-1和120D-2的差分对接收具有PRxD-1和PRxD-2的功率的差分光信号，并且基于这些功率的差异来计算接收值(例如，PRxD1&2＝PRxD-1-PRxD-2)。一组差分光接收器(例如，120D-1和120D-2)和相应的差分光发射器对(例如，110D-1和110D-2)可以包括在每个神经元中，并且可以通过将诸如sigmoid函数的神经输出函数f(x)应用于接收值或积分和火焰尖峰模型来计算神经元的输出。例如，可以基于f(PRxD1&2)确定(例如，按比例确定)从光发射器110D-1和110D-2的差分对输出的光功率的差表示的输出信号的值。

[0047] 图5示出了其上形成发射器芯片110A和发射波导150A-1的板的一部分的示例性侧视图。在图5所示的例子中，其上形成有发射波导150A-1的板与安装有光发射器芯片110A的板相同。如图5所示，在板的表面上形成发射波导150A-1(由其上形成发射波导150A-1的水平表面表示)，以及入射镜510，其配置成将来自垂直于板的方向的光重定向到平行于板的方向。例如，相对于板基本上成45°角。在板上安装，例如通过倒装芯片键合，包括光发射器110A-1的光发射器芯片110A，其中光发射器110A-1面向板。虚线示意性地表示由光发射器
110A-1发射的光信号。

[0048] 图6示出了其上形成有接收器芯片120A和接收波导170A-1的板的一部分的示例性侧视图。在图6的示例中，其上形成有接收波导170A-1的板与光接收器芯片170A安装在其上的板相同。如图6所示，在板的表面上形成接收波导170A-1(由其上形成有发射波导170A-1的水平表面表示)，以及出射镜610，其配置成将来自平行于板的方向的光重定向到垂直于板的方向，例如，相对于板基本成45°角。在板上安装，例如通过倒装芯片键合，包括光接收器120A-1的光接收器芯片120A，其中光接收器120A-1面向板。虚线示意性地表示由光接收器120A-1接收的光信号。

[0049] 关于图5描述的配置也可以应用于连接到光发射器芯片110A的发射波导150A-2到150A-4的其余部分，并且关于图6描述的配置也可以应用于连接到光接收器芯片120A的接收波导170A-2至170A-4的其余部分。此外，关于图5和6描述的配置可以相应地应用于发射波导150B-1至150D-4和光发射器芯片110B至110D以及接收波导170B-1至170D-4和光接收器芯片120B至120D。因此，光发射器芯片110A至110D和光接收器芯片120A至120D中的每一个可以被布置为使得包括在的芯片中的至少一个光发射器(例如，光发射器110A-1)或包括在芯片中的至少一个光接收器(例如，光接收器120A-1)面向板，具有经由入射镜510连接到光发射器110A-1至110D-4的发射波导150A-1至150D-4以及经由出射镜610连接到光接收器
120A-1至120D-4的接收波导170A-1至170D-4。

[0050] 光子神经元件100的各种波导和多路复用器140A至140D可以通过在板层中形成下包覆层，在下包覆层上形成核心层，以及在核心层上形成上包覆层来制造。下包覆层和上包覆层可以例如通过使用旋涂或幕涂和烘焙施加第一聚合物来形成。下包覆层和上包覆层可以由多个平行波导共享。核心层可以例如通过使用旋涂或幕涂和烘烤施加第二或相同的聚合物来形成，其中在第二聚合物上形成在作为核心的部分中具有开口的光掩模图案并且用紫外线照射以增加折射率。反射镜160A至160D，入射镜510和出射镜560可以在波导的形成期间形成，例如，通过切割核心的端部并通过诸如铝、银等的镜面材料的气相沉积形成反射表面，或者可以使用全内反射机制。

[0051] 图7示出了根据本发明的实施例的用于光子神经元件100的波导架构的实例图。图7的架构是如何扩展图1的体系结构以包括更多对发射器和接收器芯片(例如，更多神经元)的示例。由于空间有限，在多个发射波导150B-1至150B-4、150D-1至150D-4、150E-5至150E-
8、150F-5至150F-8和150H-5至150H中，仅发送波导150D-1至150D-4在图7中给出了附图标记。类似地，在多个多路复用器140A至140H中，仅多路复用器140B在图7中给予附图标记。在多个反射镜160A至160H中，只有反射镜160B在图7中给出了附图标记；在多个滤光器180B、
180D、180E、180F和180H中，仅滤光器180B在图7中给出了附图标记；在多个接收波导170B-1至170B-4、170D-1至170D-4、170E-5至170E-8、170F-5至170F-8和170H-5至170H-8中，仅接收波导170D-1至170D-4在图7中给出了附图标记；并且在多个节点内信号线190B-1至190B-
4、190D-1至190D-4、190E-5至190E-8、190F-5至190F-8以及190H-5至190H-8中，仅节点内信号线190H-5至190H-8在图7中给出了附图标记。然而，图7中描绘的省略了发射波导、组合器、反射镜、接收波导、滤光器和节点内信号线的附图标记，可以参考整个本公开，应理解字母后缀A至H指的是相应的光发射器芯片110A至110H和光接收器芯片120H至120H，并且理解该数字后缀为-1至-3指的是相应节点间波导130-1至130-32，如与上面关于图1和图2描述的相同的方式。

[0052] 正如图1的光发射器芯片110A至110D包括相应的多个光发射器110A-1至110A-4、110B-1至110B-4、110C-1至110C-4和110D-1至110D-4，图7的光发射器芯片110A至110H包括相应的多个光发射器110A-1至110A-4、110B-1至110B-4、110C-1至110C-4、110D-1至110D-
4、110E-5至110E-8、110F-5至110F-8、110G-5至110G-8和110H-5至110H-8，但为了便于说明，图7中未示出任何光发射器。以相同的方式，正如图1的光接收器芯片120A至120D包括相应的多个光接收器120A-1至120A-4、120B-1至120B-4、120C-1至120C-4和120D-1至120D-4，图7的光接收器芯片120A至120H包括相应的多个光接收器120A-1至120A-4、120B-1至120B-
4、120C-1至120C-4、120D-1至120D-4、120E-5至110E-8、120F-5至120F-8、120G-5至120G-8和120H-5至120H-8，但是为了便于说明，图7中没有示出光接收器。

[0053] 在图1的示例中，多个节点间波导130-1至130-4包括的第一环(例如，节点间波导130-1至130-4)，其具有布置为同心环的两个或更多个节点间波导；多个光发射器110A-1至
110D-4包括第一内部光发射器组(例如，光发射器110A-1至110D-4)，其具有布置在第一环内部的两个或更多个光发射器；多个光接收器120A-1至120D-4包括第一内部光接收器组(例如，光接收器120A-1至120D-4)，其具有设置在第一环内的两个或更多个光接收器。在图
7的示例中，类似于图1，多个节点间波导130-1至130-8包括第一环(例如，节点间波导130-1至130-4)，其具有排列成同心环的两个或更多个节点波导；多个光发射器110A-1至110A-4、
110B-1至110B-4、110C-1至110C-4、110D-1至110D-4、110E-5至110E-8、110F-5至110F-8、
110G-5至110G-8和110H-5至110H-8包括第一内部光发射器组(例如，光发射器110B-1至
110B-4和110D-1至110D-4)，其具有设置在第一环内的两个或更多个光发射器；以及多个光接收器120A-1至120A-4、120B-1至120B-4、120C-1至120C-4、120D-1至120D-4、120E-5至
110E-8、120F-5至120F-8、120G-5至120G-8和120H-5至120H-8包括第一内部光接收器组(例如，光接收器120B-1至120B-4和120D-1至120D-4)，其具有设置在第一环内部的两个或多个光接收器。多个光发射器110A-1至110A-4、110B-1至110B-4、110C-1至110C-4、110D-1至
110D-4、110E-5至110E-8、110F-5至110F-8、110G-5至110G-8和110H-5至110H-8可以进一步包括第一外部光发射器组(例如，光发射器110A-1至110A-4和110C-1至110C-4)，其具有设置在第一环外部的两个或更多个光发射器；以及多个光接收器120A-1至120A-4、120B-1至
120B-4、120C-1至120C-4、120D-1至120D-4、120E-5至110E-8、120F-5至120F-8、120G-5至
120G-8和120H-5至120H-8还可包括第一外部光接收器组(例如，光接收器120A-1至120A-4和120C-1至120C-4)，其具有设置在第一环外部的两个或更多个光接收器。

[0054] 如图7所示，多个节点间波导130-1至130-8还可以包括第二环(例如，节点间波导130-5至130-8)，其具有排列成同心环的两个或更多个的节点间波导，多个光发射器110A-1至110A-4、110B-1至110B-4、110C-1至110C-4、110D-1至110D-4、110E-5至110E-8、110F-5至
110F-8、110G-5至110G-8、110H-5至110H-8包括第二内部光发射器组(例如，110E-5至110E-
8、110F-5至110F-8、110H-5至110H-8)，其具有设置在第二环内的两个或更多个光发射器，并且多个光接收器120A-1至120A-4、120B-1至120B-4、120C-1至120C-4、120D-1至120D-4、
120E-5至120E-8、120F-5至120F-8、120G-5至120G-8和120H-5至120H-8包括第二内部光接收器组(例如，120E-5至120E-8、120F-5至120F-8以及120H-5至120H-8)，其具有设置在第二环内的两个或更多个光接收器。多个光发射器110A-1至110A-4、110B-1至110B-4、110C-1至
110C-4、110D-1至110D-4、110E-5至110E-8、110F-5至110F-8、110G-5至110G-8以及110H-5至110H-8还可包括第二外部光发射器组(例如，光发射器110G-5至110G-8)，其具有第二环外部的两个或更多个光发射器，多个光接收器120A-1至120A-4、120B-1至120B-4、120C-1至
120C-4、120D-1至120D-4、120E-5至110E-8、120F-5至120F-8、120G-5至120G-8以及120H-5至120H-8可以进一步包括第二外部光接收器组(例如，光接收器120G-5至120G-8)，其具有设置在第二环外的两个或更多个光接收器。

[0055] 如上所述，多个节点间波导130-1至130-8可以被划分为多个环(例如，包括节点间波导130-1至130-4的第一环和包括节点间波导130-5至130-8的第二环)，而光发射器和光接收器(以及同样的光发射器芯片和光接收器芯片)可以分成与每个环相关的内部组和外部组。以相同的方式，多个多路复用器140A至140H可以包括第一多路复用器组(例如，多路复用器140A至140D)，第一多路复用器组的每个多路复用器被配置为将输入光信号多路复用到第一环的节点间波导上(例如，节点间波导130-1至130-4)，并且第二多路复用器组(例如，多路复用器140E至140H)，第二多路复用器组的每个多路复用器被配置为将输入光信号多路复用到第二环的节点间波导上(例如，节点间波导130-5至130-8)。同样地，多个反射镜160A至160H可以包括第一反射镜组(例如，反射镜160A至160D)，第一反射镜组的每个反射镜被配置为部分地反射在第一环的节点间波导(例如，节点间波导130-1至130-4)上传播的光信号以产生反射光信号，以及第二镜组(例如，反射镜160E至160H)，第二镜组的每个反射镜被配置为部分地反射在第二环的节点间波导(例如，节点间波导130-5至130-8)上传播的光信号以产生反射光信号。滤光器180B、180D、180E、180F和180H以及节点内信号线190B-1至190B-4、190D-1至190D-4、190E-5至190E-8、190F-5至190F-8以及190H-5至190H-8可以类似地分成与每个环相关联的组。

[0056] 代替接收波导170A-1至170A-4、170C-1至170C-4和170G-5至170G-8，图7的波导架构替代地包括输出波导710A-1至710A-4、710C-1至710C-4和710G-5至710G-8，分成为与第一环相关联的第一输出波导710A-1至710A-4和710C-1至710C-4和与第二环相关联的第二输出波导710G-5至710G-8。(由于空间有限，在图7中仅给出输出波导710C-1至710C-4的附图标记。)可以在板上形成第一输出波导710A-1至710A-4和710C-1至710C-4使得第一输出波导中的至少一个(例如，第一输出波导710C-3)穿过第一环的节点间波导中的至少一个(例如，节点间波导130-4)，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层。每个第一输出波导(例如，710C-3)可以连接到第一环的外部，并且被配置为接收由第一反射镜组的反射镜(例如，反射镜160C)产生的反射光信号，并将反射的光信号传输到第一环的外部。类似地，可以在板上形成第二输出波导710G-5至710G-8，使得第二输出波导中的至少一个(例如，第二输出波导710G-7)穿过第二环的至少一个节点间波导(例如，节点间波导
130-8)，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层。每个第二输出波导(例如，710G-7)可以连接到第二环的外部，并且被配置为接收由第二反射镜组的反射镜(例如，反射镜160G)产生的反射光信号，并将反射光信号传输到第二环的外部。

[0057] 代替滤光器180A、180C和180G，图7的波导架构替代地包括输出滤光器720A、720C和720G，分成与第一环相关联的第一输出滤光器720A和720C以及与第二环相关联的第二输出波导720G。在板上形成第一输出滤光器720A并且被配置为由第一输出波导(例如，接收反射光信号的第一输出波导710A-1、710A-2、710A-3或710A-4)将反射光信号传输到第一环的外部之前将权重施加到由多个反射镜的反射镜160A产生的反射光信号(例如，反射镜160G)。类似地，在板上形成第一输出滤光器720C并且被配置为在由接收反射的光信号的第一输出波导(例如，第一输出波导710C-1、710C-2、710C-3或710C-4)将反射光信号传输到第一环的外部之前将权重施加到由多个反射镜的反射镜160C产生的反射光信号。相应地，在板上形成第二输出滤光器720G，并被配置为在由接收反射的光信号的第一输出波导(例如，第一输出波导710G-5、710G-6、710G-7或710G-8)将反射光信号传输到第二环的外部之前对由多个反射镜的反射镜160G产生的反射光信号施加权重。

[0058] 第一外部光接收器组的每个光接收器(例如，光接收器120A-1至120A-4和120C-1至120C-4)可以光连接至多个第一外部波导输出波导的第一输出波导(例如，710A-1至710A-4和710C-1至710C-4)并且被配置为接收由第一输出波导传输的反射光信号。类似地，第二外部光接收器组的每个光接收器(例如，光接收器120G-5至120G-8)可以光连接到多个第二输出波导的第二输出波导(例如，第二输出波导710G-5至710G-8)并且被配置为接收由第二输出波导传输的反射光信号。也就是说，每个第二输出波导(例如，第二输出波导710G-
5、710G-6、710G-7或710G-8)可以光连接到第二外部光接收器组的光接收器(例如，光接收器120G-5、120G-6、120G-7或120G-8)并且被配置为接收由第二反射镜组的反射镜(例如，反射镜160G)产生的反射光信号并将反射光信号传输到光接收器。在一些实施例中，第一外部光接收器组的一个或多个光接收器(例如，光接收器120A-1至120A-4和120C-1至120C-4)或第二外部光接收器组的一个或多个光接收器(例如，光接收器120G-5至120G-8)可以以这种方式用作包括光子神经元件100的神经网络的输出。例如，在图7中所示的波导结构表示神经网络中完整的光子神经元件100的情况下，光接收器芯片120C可以用作神经网络的输出。

[0059] 代替发射波导150A-1至150A-4、150C-1至150C-4和150G-5至150G-8，图7的波导结构代替地包括输入波导730A-1至730A-4、730C-1至730C-4和730G-5至730G-8，分成为与第一环相关的第一输入波导730A-1至730A-4和730C-1至730C-4和与第二环相关的第二输入波导730G-5。至730G-8。(由于空间有限，在图7中仅给出输入波导730C-1至730C-4的附图标记。)可以在板上形成第一输入波导730A-1至730A-4和730C-1至730C-4使得第一输入波导中的至少一个(例如，第一输入波导730C-3)穿过第一环的节点间波导中的至少一个(例如，节点间波导130-4)，其中交叉波导的一个的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层。每个第一输入波导(例如，730C-3)可以连接到第一环外部，并且被配置为从第一环的外部接收光信号，并将接收到的光信号经由第一多路复用器组的多路复用器(例如，多路复用器140C)发送到第一环的节点间波导(例如，130-3)。类似地，可以在板上形成第二输入波导
730G-5至730G-8，使得第二输入波导中的至少一个(例如，第二输入波导730G-7)穿过第二环的至少一个节点间波导(例如，节点间波导130-8)，其中一个交叉波导的核心穿过另一个交叉波导的核心或包层。每个第二输入波导(例如，730G-7)可以连接到第二环外部，并且被配置为从第二环的外部接收光信号，并将接收到的光信号经由第二多路复用器组的多路复用器(例如，多路复用器140G)发送到第二环的节点间波导(例如，130-7)。

[0060] 第一外部光发射器组的每个光发射器(例如，光发射器110A-1至110A-4和110C-1至110C-4)可以光连接至多个第一输入波导的第一输入波导(例如，730A-1至730A-4和730C-1至730C-4)并且被配置为发射将由第一输入波导传输的光信号。类似地，第二外部光发射器组的每个光发射器(例如，光发射器110G-5到110G-8)可以光连接到多个第二输入波导的第二输入波导(例如，第二输入波导730G-5至730G-8)并且被配置为发射通过第一输入波导传输的光信号。也就是说，每个第二输入波导(例如，第二输入波导730G-5、730G-6、
730G-7或730G-8)可以光连接到第二外部光发射器组的光发射器(例如，光发射器110G-5、
110G-6、110G-7或110G-8)并且被配置为接收从光发射器发射的光信号并将接收的光信号经由第二多路复用器组的多路复用器(例如，多路复用器140G)发送到第二环的节点间波导(例如，节点波导130-5、130-6、130-7或130-8)。在一些实施例中，第一外部光发射器组的一个或多个光发射器(例如，光发射器110A-1至110A-4和110C-1至110C-4)或第二外部光发射器组一个或多个光发射器(例如，光发射器110G-5至110G-8)以这种方式，可以用作包括光子神经元件100的神经网络的输入。例如，在图7中所示的波导结构表示完整的神经网络中的光子神经元件100的情况下，光发射器芯片110C可以用作神经网络的输入。

[0061] 代替节点内信号线190A-1至190A-4、190C-1至190C-4和190G-5至190G-8，图7的波导架构代替地包括环之间节点内信号线740AG-1至740AG-4和740GA-5至740GA-8，在该示例中已完全省略了连接到发射器芯片110C和接收器芯片120C的信号线，以提供如上所述的神经网络的输入和输出的示例。(由于空间有限，图7中仅给出了环之间节点内信号线740AG-1至740AG-4的附图标记。注意，通过任意约定，字母后缀AG或GA指的是从接收器芯片到发射器芯片，而数字后缀-1至-4或-5至-8指的是接收器芯片的环的相应节点间波导130-1至130-4或130-5至130-8。)每个环之间的节点内信号线(例如，环之间的节点内信号线740AG-
1)可以连接到第一外部光接收器组的光接收器(例如，光接收器120A)和第二外部光发射器组的光发射器(例如，光发射器110G)，并且被配置为接收表示由光接收器接收的光信号的功率的电信号，并将电信号发送到光发射器，从而连接光接收器和光发射器形成输入和神经元的输出。类似地，每个环之间的节点内信号线(例如，环之间的节点内信号线740GA-5)可以连接到第一外部光接收器组的光发射器(例如，光发射器110A)和第二外部光接收器组的光接收器(例如，光接收器120G)，并且被配置为接收表示由光接收器接收的光信号的功率的电信号，并将电信号发送到光发射器，从而连接光接收器和光发射器以形成神经元的输入和输出。换句话说，通过使用环之间的节点内信号线，第一环的光接收器可以连接到第二环的光发射器，第二环的光接收器可以连接到第一环的光发射器。从而形成环间节点，其可以用作连接环的神经元。以这种方式，可以跨任意数量的环组装任意数量的发射器和接收器以缩放光子神经元件100或包括光子神经元件100的神经网络。这种缩放可以包括将环组装成任意数量的更大的、高阶环或其他结构，它们本身可以组装成更大的、更高阶的环或其他结构，等等，以形成超环形或超环。例如，如果图7中所示的两个环被认为是一阶环，则一系列这样的一阶环可以连成一排，其自身弯曲以形成更大的二阶环。然后，这种二阶环可以以相同的方式连接到其他二阶环，依此类推。例如，如图7所示，可以通过输入和输出波导完成所有这些连接。

[0062] 图8示出根据本发明的实施例的用于光子神经元件100的波导架构的实例图。在图8中，第一多个一级环810连成一排，自身弯曲形成一个较大的二级环，由包括图左手侧的八个一级环810的大环表示。第二多个一阶环810连接在相似的排中，其自身弯曲以形成更大的二阶环，由包括图右手侧的八个一阶环810的大环表示。在一阶环810之间示出了连接(显示为双线)，包括连接两个二阶环的一个示例连接。具有两个连接的每个一阶环810可以被构造为图7的第一(最左)环，而具有三个连接的每个一阶环810可以与图7的第一环(最左边)类似地构造，但是另外一对发射器芯片110和接收器芯片120从内部组(包含图7中的芯片110/120B和D)移动到外部组(包含图7的芯片110/120A和C)。因此，图8中的每个连接可以包含每个连接的一阶环810的波导和外部发射器/接收器芯片对，类似于图7中的发射器/接收器芯片110/120A和G。图8中的最左侧的突出连接可以用作图8中所示的一对二阶环的输入/输出(类似于图7中的发射器/接收器芯片110/120C和连接的波导)。图8的二阶环可以连接到三阶或更高阶环以缩放光子神经元件100或包括光子神经元件100的神经网络。

[0063] 在以上描述中，输出波导(例如，710C-1)、输入波导(例如，730-1)和环之间的节点内信号线(例如，740AG-1)的名称分别与接收波导(例如，170D-1)、发射波导(例如，150D-1)和节点内信号线(例如，190H-5)的不同。然而，除了它们与第一和第二环的关系之外，输出波导、输入波导和环之间的节点内信号线可以分别被视为接收波导、发射波导和节点内信号线的示例，并且可以具有相同的对应结构。因此，在整个本公开中，接收波导、发射波导和节点内的信号线的任何描述可以分别同样适用于输出波导、输入波导和环之间的节点内信号线。

[0064] 在图1、3、7和8以及整个说明书中，参考光子神经元件100。附图中的术语“光子神经元件”和相应的附图标记“100”可以指贯穿本公开描述的波导结构的任何组件或组件的组合。例如，图1、3、7或8的全部、图1、3、7或8的一部分、图1、3、7或8的变型和/或扩展、或本公开中描述的并且未在附图中具体描绘，包括整个神经网络的波导架构的任何实施例的一部分、变型和/或扩展。光子神经元件100或神经网络还可以包括或连接到一些调节光发射器的发射光信号的功率和/或光接收器的灵敏度的装置，以便调节神经网络的平衡。调整参数可以存储在存储器中。这种装置可以包括，例如，连接到光子神经元件100或神经网络的计算机。这样的计算机可以进一步提供光子神经元件100或神经网络的任何实际功能，例如，运行至少部分地使用神经计算或与神经计算协作的计算机程序，改变滤光器180的权重(包括输出滤光器720)，改变反射镜160的反射系数，发出从光发射器发射光信号的请求，例如，具有指示功率的初始光信号，监视和读取由光接收器接收的光信号的功率并将值返回到计算机程序等。例如，当指示由光发射器发射具有相同功率的光信号并且对所有滤光器设置相同的权重时，计算机可以检查在所有光接收器处可以测量相同的功率电平，计算机可以相应地进行调整。

[0065] 从本公开可以理解，光子神经元件100和相关实施例的特征使得可以避免与传统技术相关的缺点。使用本文所示和所述的波导结构，光子神经元件100可以通过光信号传输来支持光子尖峰计算，其中在板(例如印刷电路板)上形成低损耗通孔波导以便彼此交叉。因此，所公开的波导架构可以允许设计灵活性(例如，布局，材料等)，同时提高传统电子方法的速度限制。

[0066] 虽然已经描述了本发明的实施例，但是本发明的技术范围不限于上述实施例。对于本领域技术人员显而易见的是，可以对上述实施例添加各种改变和改进。从权利要求的范围中还显而易见的是，添加有这种改变或改进的实施例可以包括在本发明的技术范围内。