OES|面向高密度集成光子卷积的可扩展时空交织网络
OES | 面向高密度集成光子卷积的可扩展时空交织网络
Opto-Electronic Science 论文推荐
上海交通大学苏翼凯教授团队提出了一种片上时空光子交织网络（spatiotemporal photonic interleaving network, SPIN） 。该工作试图把卷积计算的扩展从单纯的空间复制转移到波长维度 ，通过共享物理延迟通道和递归交织拓扑 ，在保持可重构能力的同时提升光子卷积加速器的结构可扩展性。
文 章 | Liu HD, Li JC, Zhong H et al. Scalable spatiotemporal interleaving network for high-density i ntegrated photoni c convol uti on. Opto-Electron Sci 5, 260018 (2026).
作者 ：刘虎迪、李靖驰、钟华、何宇、苏翼凯*
*通信作者
研究背景
人工智能模型和机器视觉任务对卷积计算提出了持续增长的吞吐量、能效和集成密度需求。传统电子硬件虽然在峰值算力上不断提升 ，但在大规模卷积和矩阵运算中 ，数据搬运、互连开销和芯片面积仍然是限制系统扩展的重要因素。卷积运算是图像识别、特征提取和神经网络中的核心操作之一， 如何在有限芯片资源下以更高并行度完成卷积计算 ，是新型计算硬件需要解决的关键问题。
集成光子计算利用光的高速传输、多波长并行和低损耗传播等特性 ，为突破电子计算瓶颈提供了新的技术路径。 已有光子神经网络方案包括马赫-曾德尔干涉仪阵列、微环谐振器阵列、光学超表面和时分-波分复用结构等 ，但在实际应用中仍需在集成密度、可编程
能力、器件占用面积和控制复杂度之间折中。例如 ，传统空间复制式结构在提高吞吐量时往往需要成倍增加光路和控制单元 ，导致面积和校准负担快速增长。
本文亮点
上海交通大学苏翼凯教授团队围绕上述瓶颈 ， 提出了一种片上时空光子交织网络（spatiotemporal photonic interleaving network, SPIN） 。 该工作试图把卷积计算的扩展从单纯的空间复制转移到波长维度 ，通过共享物理延迟通道和递归交织拓扑 ，在保持可重构能力的同时提升光子卷积加速器的结构可扩展性。
该研究的核心思想是用递归二叉树式光交织器把分布式延迟线“编织”进共享物理通道。对于序列化输入信号， SPIN 将同一时间波形加载到多个波长载波上 ，不同波长在级联交织器中被路由到不同延迟路径 ，从而形成卷积所需的时间滑动窗口。与独立延迟线随卷 积 核 规 模 呈 O( K² ) 增 长 不 同 ， SPIN 将 片 上 延 迟 波 导 长 度 复 杂 度 降 低 到O( K log2 K ) ，并把有源控制复杂度约束在 O( K )。这种结构减小了冗余光路 ，为高密度片上卷积计算提供了更紧凑的实现方式。
图1 SPIN架构与可扩展性优势。递归二叉树交织拓扑将多波长信号映射到共享延迟路径中 ，实现 时间滑动窗口构建、权重加载和光电探测求和 ，并将延迟波导长度复杂度由 O( K² ) 降低至 O( K log2 K )。Credit: 苏翼凯教授团队
在实验方面 ，研究团队基于商用220 nm SOI工艺制备了三阶段级联交织器芯片，可处理8个波长通道。团队首先对级联交织器的光谱响应和延迟网络进行了表征， 随后在49 Gbaud条件下开展MNIST手写数字卷积验证。实验输出波形与数字计算基准高度一致，相关系数超过0.98； 重构后的二维特征图能够清晰呈现数字轮廓，说明该光子芯片能够准确执行卷积特征提取。
图2 芯片实验实现与MNIST数据集验证。三阶段级联 SPIN 芯片在49Gbaud 条件下完成手写数字轮廓特征提取 ，实验波形与理论结果的相关系数超过0.98。Credit: 苏翼凯教授团队
SPIN 的另一亮点在于可扩展性和可重构性。研究人员利用波长复用机制 ，将16个光载波划分为多个独立波长组 ，在同一片上核心中并行处理不同图像批次和卷积任务。该架构无需复制完整计算核心， 即可通过增加波长组提升吞吐量。 团队还在USC-SI PI图像数据上展示了2×4方形卷积核的可配置特征提取，证明同一交织网络可以在吞吐量、卷积核大小和几何形状之间灵活切换。
图3 波长复用支持的并行处理。多个波长组共享同一片上光子核心，实现不同图像批次和卷积任务 的并行处理，展示了面向高吞吐量计算的扩展路径。Credit: 苏翼凯教授团队
理论分析进一步显示，在充分利用可用光谱资源时， SPIN单核心有望达到 29.7 TOPS的计算吞吐量。该工作为集成光子卷积从实验演示走向紧凑、高通量、可编程的片上光计算芯片提供了新的架构选择。
该 工 作 以 “Scalable spatiotemporal interleaving network for high-density integrated photonic convolution” 为题发表在Opto-Electronic Science 2026 年第7期。
【基金支持】 该工作得到了国家自然科学基金项目（NSFC 62341508） 和上海市科学技术项目（24JD1401500） 的支持。
研究团队简介
该研究由上海交通大学集成电路学院光子与通信全国重点实验室苏翼凯教授团队完成。苏翼凯教授领导的光传输与集成光子学实验室（OTIP） 立足光电子研究领域的前沿，主要研究高
速光通信系统与各类集成器件，重点研究应用于传输及交换领域的硅基及异质集成光电子芯片。
苏翼凯教授课题组主页：https://otip.sjtu.edu.cn/
长按识别此二维码 ，直达全文