CN105306042B - 一种用于宽带混沌激光储备池并行计算的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于宽带混沌激光储备池并行计算的装置，包括：2个光源部件(1)、2个混沌激光产生回路(2)和1个带宽增强链路(3)，所述的2个光源部件(1)和2个混沌激光产生回路(2)一一对应连接，2个混沌激光产生回路(2)通过带宽增强链路(3)连接。本发明不但可以实现对两路输入信号进行并行处理，而且同时还可以增加激光混沌的带宽，使得混沌光的随机性更好，为储备池计算提供更丰富的非线性动力学状态，进而减小了系统输出结果的预测误差。

Description

一种用于宽带混沌激光储备池并行计算的装置

技术领域

本发明涉及一种用于宽带混沌激光储备池并行计算的装置，属于光信息处理技术领域。

背景技术

随着现代信息技术的飞速发展，半导体技术越来越接近其制造工艺的物理极限，这大大限制了计算机技术的快速发展。特别是大数据时代的到来对计算机技术的挑战，使得人们不得不加快探索新型的计算模式。此外，当今信息时代的方便和快捷主要得益于宽带通信网络，宽带通信网络亟需新型的光子信号处理技术来进一步提升其信息传输速度和容量。目前已有一些新型光子信号处理技术的研究报道，这些技术主要利用光信号实现数字的“0”和“1”，并进行光子计算和光子信号处理。相对于电子而言，光子无法绝对地静止下来，这就使得该技术面临光存储这一难题。解决该问题的一种方法是，采用模拟信号代替数字信号来实现光子计算和应用。

储备池计算是一种新型的人工神经网络模型，通常需要几百个节点来构成储备池，而且需要耗费大量器件，耗能巨大且实现困难。用一个包含很多非线性状态的混沌非线性系统来构成储备池，可以节省很多硬件资源，解决物理实现的困难。此外，混沌储备池计算是模拟信号器件实现的模拟计算，其状态空间是连续的。因此，混沌储备池计算具有更强大的计算处理能力。借助激光实现的混沌储备池计算具有处理速度快、并行性好、计算能力强、物理实现简单等优点。

现有技术(参见L.Larger,et al.Photonic information processing beyondTuring:an optoelectronic implementation of reservoir computing,Opt.Express2012.Y.Paquot,et al.Optoelectronic reservoir computing,Scientific Reports2012)公开了一种基于光电反馈混沌激光实现储备池计算的方法，该方法只能实现对单一任务的处理。为了提高混沌激光储备池计算的处理速度，并行计算无疑是一种优选方案。现有技术(参见D.Brunner,et al.Parallel photonic information processing atgigabyte per second data rates using transient states,Nature Communications2013)公开了一种基于光纤环振荡产生混沌激光的储备池并行计算装置，该装置可以同时实现光/电两路信号的输入，并对信号进行处理，但是该装置并没有涉及到如何提高混沌激光的带宽，从而减小系统的信号处理误差的问题。现有技术(参见赵清春等,一种光电反馈混沌激光储备池并行计算的装置,申请号201310098211.9，公开号CN103236833A)公开了一种基于光电双环反馈产生混沌激光进而实现对两路输入信号并行处理的装置，该技术也没有提供增加混沌带宽的方法。现有技术(参见R.M.Nguimdo,et al.Simultaneouscomputation of two independent tasks using reservoir computing based on asingle photonic nonlinear node with optical feedback,IEEE Transactions onNeural Networks and Learning Systems 2015)公开了一种基于光反馈半导体环形激光器实现的储备池并行计算装置，该技术利用半导体环形激光器中的顺时针和逆时针两个光模式处理两个独立的信号，达到并行处理的目的。光反馈半导体环形激光器产生激光混沌的带宽通常为几百兆赫兹，明显低于光电反馈和光纤环振荡产生混沌激光的带宽(通常为几吉赫兹)。

综上所述，现有技术虽然公开了实现混沌激光储备池并行计算的装置，但是并没有提供如何提高激光混沌带宽的措施，而提高激光混沌带宽，可以产生时域上随机性更好的混沌光，从而为储备池计算提供更丰富的非线性状态，减小系统处理任务时的误差，意义重大。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于宽带混沌激光储备池并行计算的装置，它可以有效解决现有技术中存在的问题，尤其是混沌激光储备池并行计算中系统混沌带宽低、信号处理误差大的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种用于宽带混沌激光储备池并行计算的装置，包括：2个光源部件、2个混沌激光产生回路和1个带宽增强链路，所述的2个光源部件和2个混沌激光产生回路一一对应连接，2个混沌激光产生回路通过带宽增强链路连接。

优选的，所述的带宽增强链路包括：A可调光衰减器、A环形器、B环形器、B可调光衰减器，所述的A可调光衰减器分别与A环形器和一个混沌激光产生回路连接，B可调光衰减器分别与B环形器和另一个混沌激光产生回路连接，A环形器与B环形器通过光纤连接，A环形器和B环形器与2个混沌激光产生回路一一对应连接，从而即可实现同时提高2个并行的混沌激光的带宽，减小了系统信号处理的误差，此外，相对于分别单独提高两个混沌激光的带宽，本发明的带宽增强链路结构可以节约器件，简化了装置的复杂性。

前述的用于宽带混沌激光储备池并行计算的装置中，所述的混沌激光产生回路包括：顺次连接的马赫-曾德尔调制器、1×2光耦合器、C可调光衰减器、光纤延迟线、2×1光耦合器、光电探测器、射频低通滤波器、功分器、射频耦合器和射频放大器，所述的马赫-曾德尔调制器与光源部件连接，2个1×2光耦合器与A可调光衰减器和B可调光衰减器一一对应连接，2个2×1光耦合器与A环形器和B环形器一一对应连接，从而即可产生动力学状态丰富的混沌激光，便于快速地进行储备池并行计算。

前述的用于宽带混沌激光储备池并行计算的装置中，所述的A环形器的第I端口与A可调光衰减器连接，A环形器的第II端口与B环形器的第II端口连接，A环形器的第III端口与其中一个2×1光耦合器连接，B环形器的第I端口与B可调光衰减器连接，B环形器的第III端口与另一个2×1光耦合器连接，从而可以快速、有序地同时提高2个并行的混沌激光带宽，降低整个并行处理系统的信号处理误差。

前述的用于宽带混沌激光储备池并行计算的装置中，所述的A可调光衰减器、B可调光衰减器及C可调光衰减器的衰减量大于等于0.3dB，从而可以较大程度的提高2个并行的混沌激光带宽。

前述的用于宽带混沌激光储备池并行计算的装置中，所述的光纤的长度为0.5～10米，从而可以降低混沌激光在光纤中的传输损耗，实现2个并行的混沌激光带宽的进一步提高。

前述的用于宽带混沌激光储备池并行计算的装置中，所述的光源部件包括：分布反馈式半导体激光器和偏振控制器，所述的偏振控制器分别与分布反馈式半导体激光器和马赫-曾德尔调制器的光输入端连接，从而可以为系统提供稳定、可靠的光源。

与现有技术相比，本发明通过利用2个光源部件、2个混沌激光产生回路和1个带宽增强链路，所述的2个光源部件和2个混沌激光产生回路一一对应连接，2个混沌激光产生回路通过带宽增强链路连接，不但可以实现对两路输入信号进行并行处理，而且同时还可以增加两路激光混沌的带宽，使得混沌光的随机性更好，为储备池计算提供更丰富的非线性动力学状态，进而减小了系统输出结果的预测误差，据大量数据统计表明，采用本发明的装置后，两路激光混沌带宽可提高达5倍。

此外，发明人对本发明中A可调光衰减器、B可调光衰减器及C可调光衰减器的衰减量进行了大量的测试研究，结果表明：当C可调光衰减器的衰减量小于0.3dB时，由于产生了一倍周期振荡、二倍周期振荡和多倍周期振荡信号，因而无法产生混沌激光，而只有当C可调光衰减器的衰减量大于等于0.3dB时，才能产生混沌激光；另外，当A可调光衰减器、B可调光衰减器的衰减量小于0.3dB时，由于注入光的强度较大，会出现注入锁定现象，无法实现激光混沌带宽的增加；而只有当A可调光衰减器、B可调光衰减器的衰减量大于等于0.3dB时，才能精确、快速的实现两路激光混沌带宽的增加，而且衰减量越小，带宽增加越大，当A可调光衰减器、B可调光衰减器的衰减量等于0.3dB时，两路激光混沌带宽可提高达5倍。另外，在调节A可调光衰减器、B可调光衰减器时，需要对二者进行先后调节，防止同时调节A可调光衰减器、B可调光衰减器时由于衰减量过小，导致注入到另一个回路的光信号过强，烧坏光电探测器等敏感器件。最后，对本发明中的2个C可调光衰减器及A可调光衰减器、B可调光衰减器的衰减量进行调节时，需要首先调节2个C可调光衰减器中的一个，使得该C可调光衰减器所在的混沌激光产生回路产生混沌激光后，再调节另外一个C可调光衰减器，使得其所在的混沌激光产生回路也产生混沌激光后，然后再先后调节A可调光衰减器、B可调光衰减器，实现两路混沌激光带宽的增加。

此外，发明人对光纤的长度也进行了研究，结果表明，光纤长度小于0.5米时，不便于对A环形器与B环形器进行连接，而光纤长度大于10米时，则由于光衰减较大，导致无法实现2个并行的混沌激光带宽的增加；只有当光纤的长度为0.5～10米，才可以精确、快速的实现2个并行的激光混沌带宽的增加。

附图说明

图1是本发明的一种实施例的结构示意图。

附图标记：1-光源部件，2-混沌激光产生回路，3-带宽增强链路，4-A可调光衰减器，5-A环形器，6-B环形器，7-B可调光衰减器，8-光纤，9-马赫-曾德尔调制器，10-1×2光耦合器，11-C可调光衰减器，12-光纤延迟线，13-2×1光耦合器，14-光电探测器，15-射频低通滤波器，16-功分器，17-射频耦合器，18-射频放大器，19-分布反馈式半导体激光器，20-偏振控制器。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

本发明的实施例：一种用于宽带混沌激光储备池并行计算的装置，如图1所示，包括：2个光源部件1、2个混沌激光产生回路2和1个带宽增强链路3，所述的2个光源部件1和2个混沌激光产生回路2一一对应连接，2个混沌激光产生回路2通过带宽增强链路3连接。所述的带宽增强链路3包括：A可调光衰减器4、A环形器5、B环形器6、B可调光衰减器7，所述的A可调光衰减器4分别与A环形器5和一个混沌激光产生回路2连接，B可调光衰减器7分别与B环形器6和另一个混沌激光产生回路2连接，A环形器5与B环形器6通过光纤8连接，A环形器5和B环形器6与2个混沌激光产生回路2一一对应连接。所述的混沌激光产生回路2包括：顺次连接的马赫-曾德尔调制器9、1×2光耦合器10、C可调光衰减器11、光纤延迟线12、2×1光耦合器13、光电探测器14、射频低通滤波器15、功分器16、射频耦合器17和射频放大器18，所述的马赫-曾德尔调制器9与光源部件1连接，2个1×2光耦合器10与A可调光衰减器4和B可调光衰减器7一一对应连接，2个2×1光耦合器13与A环形器5和B环形器6一一对应连接。所述的A环形器5的第I端口与A可调光衰减器4连接，A环形器5的第II端口与B环形器6的第II端口连接，A环形器5的第III端口与其中一个2×1光耦合器13连接，B环形器6的第I端口与B可调光衰减器7连接，B环形器6的第III端口与另一个2×1光耦合器13连接。所述的A可调光衰减器4、B可调光衰减器7及C可调光衰减器11的衰减量大于等于0.3dB。所述的光纤8的长度为0.5～10米。所述的光源部件1包括：分布反馈式半导体激光器19和偏振控制器20，所述的偏振控制器20分别与分布反馈式半导体激光器19和马赫-曾德尔调制器9的光输入端连接。

上述实施例中的光源部件1、混沌激光产生回路2或带宽增强链路3也可采用现有技术实现，如光源部件1还可以采用以下方式实现：只利用分布反馈式半导体激光器19或偏振控制器20；混沌激光产生回路2还可采用光反馈、光注入等方式实现。

本发明的一种实施例的工作原理：

为了实现对两个输入信号的同时处理，需要有两个混沌激光产生回路2产生两路混沌激光。本发明通过扰动马赫-曾德尔调制器9产生混沌，对于第一个混沌激光产生回路2的混沌形成过程如下：分布反馈式半导体激光器19产生功率恒定的激光，偏振控制器20控制输出激光的偏振态，之后进入马赫-曾德尔调制器9，马赫-曾德尔调制器9的输出与1×2光耦合器10连接，1×2光耦合器10实现将一部分光反馈回马赫-曾德尔调制器9。混沌激光产生回路2中的C可调光衰减器11实现对反馈强度的控制，光纤延迟线12实现对反馈长度的控制，2×1光耦合器13用于将第二个混沌激光产生回路2产生的注入信号耦合进第一个混沌激光产生回路2中。光电探测器14实现将光信号变为电信号，以便将反馈信号输入到马赫-曾德尔调制器9的电输入端。射频低通滤波器15用于滤掉回路中的高频噪声，功分器16实现对处理结果的输出，射频耦合器17用于将待处理的信号输入到系统中，射频放大器18用于放大进入马赫-曾德尔调制器9的电信号。

第二个混沌激光产生回路2的混沌产生原理与第一个混沌激光产生回路2的原理相同。

为了降低系统的信号处理的输出误差，需要该系统包含更多的非线性动力学状态，即需要混沌信号的随机性更好，这就需要提高系统的混沌带宽。为此，本发明提供了一种同时提高两个混沌激光产生回路2混沌带宽的带宽增强链路3，即通过互注入实现混沌带宽增加的目的。通过将第一个混沌激光产生回路2产生的混沌光注入到第二个混沌激光产生回路2，可以增加第二个混沌激光产生回路2的混沌带宽，具体实施方式如下：1×2光耦合器10的另一个输出端用于将第一个混沌激光产生回路2产生的混沌光输出，A可调光衰减器4用来调节注入到第二个混沌激光产生回路2的注入强度，A环形器5、光纤8、B环形器6依次连接后，通过第二个混沌激光产生回路2中的2×1光耦合器13注入到第二个混沌激光产生回路2中，实现增加第二个混沌激光产生回路2混沌带宽的目的。同理，第二个混沌激光产生回路2的混沌光注入到第一个混沌激光产生回路2，也实现第一个混沌激光产生回路2的混沌带宽增加的目的，具体实施方式如下：混沌激光产生回路2中的1×2光耦合器10的另一个输出端用于将第二个混沌激光产生回路2产生的混沌光输出，B可调光衰减器7用来调节注入到第一个混沌激光产生回路2的注入强度，B环形器6、光纤8、A环形器5依次连接后，通过第一个混沌激光产生回路2中的2×1光耦合器13注入到第一个混沌激光产生回路2中，实现增加第一个混沌激光产生回路2混沌带宽的目的。

对于第一个混沌激光产生回路2中的输入信号，通过射频耦合器17输入到储备池中。系统处理后的结果通过功分器16输出。第二个混沌激光产生回路2中的信号输入及处理后结果输出的原理与第一个混沌激光产生回路2相同。

Claims (6)

1.一种用于宽带混沌激光储备池并行计算的装置，其特征在于，包括：2个光源部件(1)、2个混沌激光产生回路(2)和1个带宽增强链路(3)，所述的2个光源部件(1)和2个混沌激光产生回路(2)一一对应连接，2个混沌激光产生回路(2)通过带宽增强链路(3)连接；其中，所述的带宽增强链路(3)包括：A可调光衰减器(4)、A环形器(5)、B环形器(6)、B可调光衰减器(7)，所述的A可调光衰减器(4)分别与A环形器(5)和一个混沌激光产生回路(2)连接，B可调光衰减器(7)分别与B环形器(6)和另一个混沌激光产生回路(2)连接，A环形器(5)与B环形器(6)通过光纤(8)连接，A环形器(5)和B环形器(6)与2个混沌激光产生回路(2)一一对应连接；所述的混沌激光产生回路(2)包括：1×2光耦合器(10)和2×1光耦合器(13)，2个1×2光耦合器(10)与A可调光衰减器(4)和B可调光衰减器(7)一一对应连接，2个2×1光耦合器(13)与A环形器(5)和B环形器(6)一一对应连接。

2.根据权利要求1所述的用于宽带混沌激光储备池并行计算的装置，其特征在于，所述的混沌激光产生回路(2)还包括：马赫-曾德尔调制器(9)、C可调光衰减器(11)、光纤延迟线(12)、光电探测器(14)、射频低通滤波器(15)、功分器(16)、射频耦合器(17)和射频放大器(18)，所述的马赫-曾德尔调制器(9)与光源部件(1)连接，马赫-曾德尔调制器(9)、1×2光耦合器(10)、C可调光衰减器(11)、光纤延迟线(12)、2×1光耦合器(13)、光电探测器(14)、射频低通滤波器(15)、功分器(16)、射频耦合器(17)和射频放大器(18)顺次连接。

3.根据权利要求1所述的用于宽带混沌激光储备池并行计算的装置，其特征在于，所述的A环形器(5)的第I端口与A可调光衰减器(4)连接，A环形器(5)的第II端口与B环形器(6)的第II端口连接，A环形器(5)的第III端口与其中一个2×1光耦合器(13)连接，B环形器(6)的第I端口与B可调光衰减器(7)连接，B环形器(6)的第III端口与另一个2×1光耦合器(13)连接。

4.根据权利要求2所述的用于宽带混沌激光储备池并行计算的装置，其特征在于，所述的A可调光衰减器(4)、B可调光衰减器(7)及C可调光衰减器(11)的衰减量大于等于0.3dB。

5.根据权利要求1所述的用于宽带混沌激光储备池并行计算的装置，其特征在于，所述的光纤(8)的长度为0.5～10米。

6.根据权利要求2所述的用于宽带混沌激光储备池并行计算的装置，其特征在于，所述的光源部件(1)包括：分布反馈式半导体激光器(19)和偏振控制器(20)，所述的偏振控制器(20)分别与分布反馈式半导体激光器(19)和马赫-曾德尔调制器(9)的光输入端连接。