CN110247299B - 一种并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统，包括输入层、储备池层和输出层。输入层包括驱动激光器、任意波形发生器、调制器和耦合器I，用于把输入信号分成两路注入到储备池层。储备池层包括两个带有双光反馈环路的响应激光器，用于产生更加丰富的非线性动态响应。每个光反馈环路由环行器、延时光纤和可调衰减器组成，每个响应激光器各有一个反馈环路另外带有两个耦合器，用于接收输入信号和输出一部分光进入输出层。输出层包括一对光电探测器和一个双通道数字化仪，以获取储备池的响应状态。本发明可实现在不降低性能的情况下减少接收输入信号的反馈环的虚节点数和mask信号的周期，从而降低储备池对任意波形发生器缓存大小的要求。

Description

一种并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统
技术领域
本发明属于光储备池计算技术领域，具体涉及一种并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统。
背景技术
储备池计算作为一种机器学习方法，以其简单的训练方式和良好的性能在许多场景有着广泛的应用前景。半导体激光器储备池计算系统是一种硬件化的储备池计算系统。它通过光器件实现储备池计算，可以利用光处理信号速度快的优势加快处理速度。半导体激光器储备池计算系统往往用单个半导体激光器加一个延迟反馈环的结构来实现。每个输入数据都要保持一个反馈环的延迟时间，并与mask信号相乘后，串行输入到储备池中。这些数据需要通过任意波形发生器产生，当输入数据长度和反馈环的虚节点数(对应于mask信号的周期)都很大时，就需要任意波形发生器同时产生大量的数据，这对波形发生器的缓存大小提出了很高要求，然而缓存较大的任意波形发生器往往十分昂贵，使得光储备池计算系统的实现成本较高，难以实用化。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统的结构。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统，包括输入层、储备池层和输出层。
所述的输入层包括驱动激光器、任意波形发生器、调制器和耦合器I；所述任意波形发生器产生的经过预处理的输入信号，通过调制器调制驱动激光器的输出光，调制器的输出光通过耦合器I平分成两束光——调制光1和调制光2，同时注入到储备池层。
所述的储备池层包括两个带有双光反馈环路的响应激光器，其具体光路为：响应激光器I的输出光通过耦合器II平分成两束光——光束1和光束2，光束1进入环行器I后，经过延时光纤I进入耦合器III，耦合器III的一部分光输出到输出层，另一部分光进入耦合器IV，耦合器IV同一端的另一端口接收来自输入层的调制光1，耦合器IV的输出光经过可调衰减器I进入环行器I的第二输入端口，形成反馈环路1；光束2通过环行器II、延时光纤II和可调衰减器II形成反馈环路2；响应激光器II的输出光通过耦合器V平分成两束光——光束3和光束4，光束3进入环行器III后，经过延时光纤III进入耦合器VI，耦合器VI的一部分光输出到输出层，另一部分光进入耦合器VII中，耦合器VII同一端的另一端口接收来自输入层的调制光2，耦合器VII的输出光经过可调衰减器III进入环行器III的第二输入端口，形成反馈环路3；光束4通过环行器IV、延时光纤IV和可调衰减器IV形成反馈环路4；
所述的输出层包括一对光电探测器和一个双通道的数字化仪。光电探测器用于将储备池层输出的光强转换为电信号，数字化仪对电信号进行模数转换并采集数字信号，以备两个输出串接形成总的响应状态，在训练阶段做伪逆计算然后与目标输出相乘，求得输出权值，或在测试阶段与输出权值相乘得到测试输出。
所述的调制器可以是相位调制器或强度调制器，还可以不用调制器，而用任意波形发生器的输出直接调制驱动激光器。
所述的所有耦合器均为1×2耦合器，耦合器I、耦合器II、耦合器V的耦合比均为50:50，耦合器III、耦合器IV、耦合器VI、耦合器VII的耦合比为80:20，保留80％的光在反馈环路内。
所述的延时光纤I的长度小于等于延时光纤II的长度，延时光纤III的长度小于等于延时光纤IV的长度，延时光纤I与延时光纤III、延时光纤II与延时光纤IV等长或不等长。
所述的四个反馈环路可以用全光反馈或光电反馈形式，光传输部分可以用光纤或空间光传输形式。
采用上述技术方案，取得的有益效果为：
本发明通过结构上的变化，在不降低储备池性能的同时，减少接收输入信号的反馈环的虚节点数，以减少mask信号的周期，从而降低任意波形发生器的缓存大小，降低半导体激光器储备池计算系统的实现成本，同时加快信号处理速度。
附图说明
图1为并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统的结构框图。
图2为并行双光反馈半导体激光器储备池层的结构图。
图3为并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统在接收输入信号的反馈环的虚节点数为100时，对于Santa Fe混沌序列预测任务的预测结果。
图4为传统的单光反馈半导体激光器储备池计算系统在虚节点数为200时，对于Santa Fe混沌序列预测任务的预测结果。
具体实施方式
本发明优选实施例，结合附图说明如下：
如图1所示，一种并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统，包括输入层、储备池层和输出层。
所述的输入层包括驱动激光器、任意波形发生器、调制器和耦合器I；所述任意波形发生器产生的经过预处理的输入信号，通过调制器调制驱动激光器的输出光，调制器的输出光通过耦合器I平分成两束光——调制光1和调制光2，同时注入到储备池层。
如图2所示，所述的储备池层包括两个带有双光反馈环路的响应激光器，其具体光路为：响应激光器I的输出光通过耦合器II平分成两束光——光束1和光束2，光束1进入环行器I后，经过延时光纤I进入耦合器III，耦合器III的一部分光输出到输出层，另一部分光进入耦合器IV，耦合器IV同一端的另一端口接收来自输入层的调制光1，耦合器IV的输出光经过可调衰减器I进入环行器I的第二输入端口，形成反馈环路1；光束2通过环行器II、延时光纤II和可调衰减器II形成反馈环路2；响应激光器II的输出光通过耦合器V平分成两束光——光束3和光束4，光束3进入环行器III后，经过延时光纤III进入耦合器VI，耦合器VI的一部分光输出到输出层，另一部分光进入耦合器VII中，耦合器VII同一端的另一端口接收来自输入层的调制光2，耦合器VII的输出光经过可调衰减器III进入环行器III的第二输入端口，形成反馈环路3；光束4通过环行器IV、延时光纤IV和可调衰减器IV形成反馈环路4。
所述的输出层包括一对光电探测器和一个双通道的数字化仪；光电探测器用于将储备池层输出的光强转换为电信号，数字化仪对电信号进行模数转换并采集数字信号，以备两个输出串接形成总的响应状态，在训练阶段做伪逆计算然后与目标输出相乘，求得输出权值，或在测试阶段与输出权值相乘得到测试输出。
所述的调制器可以是相位调制器或强度调制器，还可以不用调制器，而用任意波形发生器的输出直接调制驱动激光器。
所述的所有耦合器均为1×2耦合器，耦合器I、耦合器II、耦合器V的耦合比均为50:50，耦合器III、耦合器IV、耦合器VI、耦合器VII的耦合比为80:20，保留80％的光在反馈环路内。
所述的延时光纤I的长度小于等于延时光纤II的长度，延时光纤III的长度小于等于延时光纤IV的长度，延时光纤I与延时光纤III、延时光纤II与延时光纤IV等长或不等长。
所述的四个反馈环路可以用全光反馈或光电反馈形式，光传输部分可以用光纤或空间光传输形式。
在本实施例中，通过数值仿真，对比并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统在接收输入信号的反馈环的虚节点数为100时和传统的单光反馈半导体激光器储备池计算系统在虚节点数为200时，对Santa Fe混沌序列预测任务的处理性能，验证本发明的并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统的可行性和技术优势。
在本实施例中，对图1所示的并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统，其输入层的调制器用相位调制器实现。对图2所示的储备池层，两个响应激光器自身的参数一样，延时光纤I和延时光纤III等长，延时光纤II和延时光纤IV等长，延时光纤I短于延时光纤II，同样，延时光纤III短于延时光纤IV。即两个响应激光器都是用短的反馈环进行输入、输出。
针对该并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统，建立其速率方程组如下：
Figure GDA0002774118480000041
Figure GDA0002774118480000042
其中下标1，2用于区分不同响应激光器的参数，如果没有下标则表示相同。E表示响应激光器的慢变电场复振幅，N表示载流子浓度，N0表示透明载流子浓度，a表示线宽增强因子，ε表示增益饱和系数，τp、τs分别是光子寿命和载流子寿命，ξ是自发辐射噪声，G是增益系数。Jr是响应激光器的偏置电流，ks，kl，τ1，τ2分别表示两个响应激光器的长环和短环的反馈强度和延迟时间。fr表示两个响应激光器的自由振荡光频率。kinj是驱动激光器的注入强度。Δf是驱动激光器和响应激光器的频率失谐。
Figure GDA0002774118480000043
用来表示驱动激光器注入到响应激光器中的光场。Id是驱动激光器的输出光强度。S(t)＝γm(t)，γ是输入尺度因子。m(t)是经过mask预处理后的输入信号。其它参数值如表1所示。
表1部分仿真参数值
符号 参数 值
a 线宽增强因子 3.0
G 增益系数 8.4×10<sup>-13</sup>m<sup>3</sup>s<sup>-1</sup>
N<sub>0</sub> 透明载流子浓度 1.4×10<sup>-24</sup>m<sup>-3</sup>
J<sub>r</sub> 响应激光器的偏置电流 1.03×10<sup>33</sup>m<sup>-3</sup>s<sup>-1</sup>
ε 增益饱和系数 2.0×10<sup>-23</sup>
τ<sub>p</sub> 光子寿命 1.927ps
τ<sub>s</sub> 载流子寿命 2.04ns
I<sub>d</sub> 驱动激光器的输出光强 13.2×10<sup>20</sup>
f<sub>r</sub> 响应激光器的自由振荡光频率 1.96×10<sup>14</sup>Hz
Δf 频率失谐 -4GHz
设置虚节点间隔θ为0.04ns，短反馈环的虚节点数为100，则mask周期T为100×θ＝4ns，短反馈环延迟时间τ1＝(100+1)×θ＝4.04ns，长反馈环延迟时间设置为4.37ns。不断调节响应激光器I的两个反馈环的反馈强度和注入强度，在短反馈环和长反馈环的反馈强度ks1、kl1分别为5.5ns-1、6.5ns-1，注入强度等于19ns-1时，响应激光器I的双光反馈储备池可以达到最佳结果。再修改响应激光器II的ks2、kl2为6.3ns-1、5.7ns-1，并将两个响应激光器并联使用，形成并行双光反馈半导体激光器储备池，得到Santa Fe混沌序列预测任务的预测结果的最小归一化均方根误差(NRMSE)为0.0459，目标输出与预测输出以及二者的误差如图3所示。从图3可看出，预测输出与目标输出非常一致。
去掉图1中输入层的耦合器I，且只保留图2中储备池层的响应激光器I及其反馈环路1，图1中的输出层只用一个光电探测器，系统即变为单光反馈半导体激光器储备池计算系统。保持虚节点间隔不变，设置虚节点数为200，则反馈环延迟时间变为τ1＝(200+1)×θ＝8.04ns，用周期为2T的mask信号预处理同样的输入数据，在反馈强度为12.5ns-1时，得到Santa Fe混沌序列预测任务的预测结果的最佳NRMSE是0.0456，目标输出与预测输出以及二者的误差如图4所示。从图4可看出，预测输出与目标输出也很一致。即，并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统可以在较小mask周期下获得与单光反馈半导体激光器储备池计算系统相同的性能。这证实了并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统可以在不降低性能的情况下，减少接收输入信号的反馈环的虚节点数，以减少mask周期，从而降低任意波形发生器的缓存大小；同时，由于接收输入信号的反馈环的虚节点数的减少，其延时时间变短，信号处理速度得以加快。

Claims (5)

1.一种并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统，其特征在于：包括输入层、储备池层和输出层；
所述的输入层包括驱动激光器、任意波形发生器、调制器和耦合器I；所述任意波形发生器产生的经过预处理的输入信号，通过调制器调制驱动激光器的输出光，调制器的输出光通过耦合器I平分成两束光——调制光1和调制光2，同时注入到储备池层；
所述的储备池层包括两个带有双光反馈环路的响应激光器，其具体光路为：响应激光器I的输出光通过耦合器II平分成两束光——光束1和光束2，光束1进入环行器I后，经过延时光纤I进入耦合器III，耦合器III的一部分光输出到输出层，另一部分光进入耦合器IV，耦合器IV同一端的另一端口接收来自输入层的调制光1，耦合器IV的输出光经过可调衰减器I进入环行器I的第二输入端口，形成反馈环路1；光束2通过环行器II、延时光纤II和可调衰减器II形成反馈环路2；响应激光器II的输出光通过耦合器V平分成两束光——光束3和光束4，光束3进入环行器III后，经过延时光纤III进入耦合器VI，耦合器VI的一部分光输出到输出层，另一部分光进入耦合器VII中，耦合器VII同一端的另一端口接收来自输入层的调制光2，耦合器VII的输出光经过可调衰减器III进入环行器III的第二输入端口，形成反馈环路3；光束4通过环行器IV、延时光纤IV和可调衰减器IV形成反馈环路4；
所述的输出层包括一对光电探测器和一个双通道的数字化仪；光电探测器用于将储备池层输出的光强转换为电信号，数字化仪对电信号进行模数转换并采集数字信号，以备两个输出串接形成总的响应状态，在训练阶段做伪逆计算然后与目标输出相乘，求得输出权值，或在测试阶段与输出权值相乘得到测试输出。
2.根据权利要求1所述的一种并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统，其特征在于，所述调制器是相位调制器或强度调制器，或者不用调制器，而用任意波形发生器的输出直接调制驱动激光器。
3.根据权利要求1所述的一种并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统，其特征在于，所有耦合器均为1×2耦合器，耦合器I、耦合器II、耦合器V的耦合比均为50:50，耦合器III、耦合器IV、耦合器VI、耦合器VII的耦合比为80:20，保留80％的光在反馈环路内。
4.根据权利要求1所述的一种并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统，其特征在于，延时光纤I的长度小于等于延时光纤II的长度，延时光纤III的长度小于等于延时光纤IV的长度，延时光纤I与延时光纤III、延时光纤II与延时光纤IV等长或不等长。
5.根据权利要求1所述的一种并行双光反馈半导体激光器储备池计算系统，其特征在于，四个反馈环路为全光反馈或光电反馈形式，光传输部分为光纤或空间光传输形式。
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