面向可扩展光计算的高精度马赫-曾德尔干涉仪任意幅度与相位自动调控技术

本文系统阐述了基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）网格的光学计算架构在人工智能硬件加速中的突破性进展。研究团队创新性地提出了无需预校准的实时反馈控制策略，通过透明光电探测器（CLIPP）实现7.01位功率精度和8.04位相位精度的光学矩阵向量乘法（MVM），为解决光子处理器（Photonic Accelerators）在精度提升和热漂移补偿方面的关键技术瓶颈提供了可扩展解决方案。

　　

引言：光子计算的技术革命

人工智能（AI）和高性能计算对矩阵向量乘法（MVM）的算力需求正面临电子硬件的物理极限。传统图形处理器（GPU）和张量处理器（TPU）存在带宽约束（<δf>）和能耗瓶颈（），而集成光子学通过光传输的零功耗特性，可在数十皮秒（ps）内完成MVM运算， latency仅为O(1)且与矩阵尺寸无关。其中基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）网格的相干架构因其单波长操作优势和复数运算能力，成为最具潜力的光学加速器方案。

控制策略：突破精度瓶颈的创新方案

MZI作为可编程2×2光学门，其传输矩阵U(θ, φ)需通过两个相位调制器（PS）精确控制。传统预校准查表法难以应对热漂移和工艺误差，导致计算精度受限。研究团队发现即使监测输出功率和相位差，仍存在工作点歧义（如绿色星点和红色圆点对应相同输出但不同传输矩阵）。

解决方案采用分节式反馈控制架构，将MZI分解为两个串联的PS-耦合器-传感器模块。通过定义功率比（PR = P_det/P_tot）作为控制变量，利用导数符号判别唯一工作点。当目标PR(B)=0.2061时，θ=2.50 rad处导数符号为正，而θ=0.64 rad处为负，通过实时误差信号极性切换即可锁定正确相位。

透明光电探测器的技术突破

为实现内部光场监测而不引入额外损耗，团队开发了基于表面态吸收（SSA）的横向PIN光电二极管。该器件在波导核心未掺杂条件下，通过末端掺杂形成500μm长探测区，在0至-40 dBm光功率范围内呈现18 nA/mW的线性响应，暗电流仅2.5 nA。这种透明探测器可嵌入MZI内部臂而不影响光学特性，为分布式监测提供硬件基础。

实验验证：从单元控制到矩阵运算

在专用硅光芯片上集成输入矢量发生器、光学处理器和相干接收器三大模块。局部反馈环路采用数字积分控制器，通过调节加热器电压实现PR控制，响应时间设置为400 ms以平衡速度与精度。

功率控制测试显示，PR(A)在0-100%范围内编程误差小于0.1%，精度达13.7比特。相位控制实验中，在固定PR(C)=50%条件下扫描φ相位调制器，成功观测到输出相位从-π到π的周期性变化，且控制环路能自动切换工作区以维持导数符号一致性。

矩阵向量乘法性能测试中，针对九组输入矢量（含不同功率比和0/π相位差），光学门在设定θ=2.50 rad, φ=1.57 rad状态下完成MVM运算。测量结果显示输出功率均方根误差<1%，相位分辨率达8.04比特（0.39°），显著优于无反馈控制的同类架构。复平面分析证实输出矢量与理论值高度吻合。

可扩展架构与相位传感双功能

研究进一步演示了4×4克里门茨（Clements）拓扑网格的扩展方案。创新性地提出MZI双功能工作模式：在计算状态时执行矩阵变换，在传感状态时通过设置φ=π/2可实现输入相位差测量（Δψ_in = arctan√((P_D3-P_D4)/(P_D1-P_D2))）。实验证实该方案在0-2π相位范围内具有优异线性度，为大规模光子处理器提供原位诊断能力。

结论与展望

该研究通过本地化反馈控制和透明监测技术，实现了MZI光学计算单元的高精度编程，解决了光子加速器在实用化过程中的核心瓶颈。7.01位功率精度和8.04位相位精度的达成，使光学MVM在神经形态计算、量子信息处理（Quantum Computing）和光学波束成形（Optical Beamforming）等领域具备实际应用价值。特别值得注意的是，该控制策略仅要求局部探测器均匀性，对工艺波动具有天然容错能力，为大规模光子集成电路（PIC）的产业化扫除了关键技术障碍。