CN110794635B - 一种基于垂直腔半导体光放大器的低功耗光学突触装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于垂直腔半导体光放大器的低功耗光学突触装置。该发明属于光信息处理技术领域，主要应用于光子脉冲神经网络的构建。所述的装置如附图所示，包括两个垂直腔面发射半导体激光器VCSEL1，VCSEL2，可调光延时线VODL，两个光耦合器OC1，OC2，三端口光环型器Circulator，垂直腔半导体光放大器VCSOA，为垂直腔半导体光放大器提供偏置电流和温度控制的Bias and TEC，两个带通滤波器λ1，λ2。通过VCSEL输出的光脉冲注入到VCSOA中，证明VCSOA具有实现光学突触的功能。本发明装置在保证了实现光学突触功能的情况下，功耗低，并且对输入信号的输入功率要求低，时间窗口调谐范围大。

Description

一种基于垂直腔半导体光放大器的低功耗光学突触装置
技术领域
一种基于垂直腔半导体光放大器的低功耗光学突触装置属于光信息处理技术领域，具体涉及一种实现低功耗光学突触的方法。
背景技术
相比于传统的冯诺依曼体系，光子神经形态计算结合了光子学和类脑计算的特点，在功耗和内存方面有很大的优势。光子神经网络主要包括光子脉冲神经元和光子突触两个功能模块。低功耗是光子神经网络器件的关键需求之一。研究发现，脉冲时间依赖可塑性是主要的突触权重更新规则，且与大脑中的学习和记忆高度相关。
就目前的研究进展而言，主要是通过半导体光放大器实现光域的脉冲时间依赖可塑性。而通常情况下，半导体光放大器的工作电流比较大，在几十到几百毫安，不能满足光子神经网络的低功耗需求。
发明内容
鉴于以上陈述的已有技术的不足，本发明旨在提供一种能实现脉冲时间依赖可塑性的低功耗光学突触装置。
本发明的目的是通过如下手段来实现的。
一种基于垂直腔半导体光放大器的低功耗突触装置，包括两个垂直腔面发射半导体激光器VCSEL1，VCSEL2、可调光延时线VODL，两个光耦合器OC1，OC2，三端口光环型器Circulator，垂直腔半导体光放大器VCSOA，为垂直腔半导体光放大器提供偏置电流和温度控制的Bias and TEC，两个带通滤波器λ1，λ2，其特征在于，VCSE1输出端与OC1的一个输入端相连；VCSEL2的输出端与VODL的输入端相连；VODL的输出端与OC1的另一个输入端相连；OC1的输出端与Circulator的1端口相连；Circulator的2端口与VCSOA相连；Circulator的3端口与OC2的输入端相连；OC2的两个输出端分别于λ1，λ2的输入端相连；Bias and TEC与VCSOA相连；λ1，λ2的输出端经光电探测器与示波器相连进行测试。
经以上设计后，使VCSEL1，VCSEL2分别输出一个光脉冲；其中VCSEL2输出的光脉冲经VODL与VCSEL1输出的光脉冲形成时间差；两个光脉冲经OC1，Circulator注入到VCSOA；VCSOA作用后的两个光脉冲经Circulator，OC2，λ1，λ2分别输出；通过调整VODL，可观察到光域的脉冲时间依赖可塑性。
本发明基于垂直腔半导体光放大器的低功耗光学突触装置和已报道的光学突触装置相比有如下优点：低功耗，偏置电流为0.5mA～0.64mA即可工作。需要的输入光信号功率小，仅需要微瓦级即可工作。时间窗口大范围调谐，连续调谐的时间范围为-1500ps到1500ps。
附图说明
图1为本发明装置的系统框图；
图2为在VCSOA的偏置电流为0.6mA，VCSEL2的波长为1550.36nm，输出的脉冲功率为5μw时，脉冲时间依赖可塑性曲线图；
图3为在VCSOA的偏置电流为0.64mA，VCSEL2的波长为1550.36nm，输出的脉冲功率为5μw时，脉冲时间依赖可塑性曲线图；
图4为在VCSOA的偏置电流为0.6mA，VCSEL2的波长为1550.33nm，输出的脉冲功率为5μw时，脉冲时间依赖可塑性曲线图；
图5为在VCSOA的偏置电流为0.6mA，VCSEL2的波长为1550.36nm，输出的脉冲功率为25μw时，脉冲时间依赖可塑性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作流程，但本发明的保护范围不限于下属的实施例。
如图1所示，本发明方案由两个垂直腔面发射半导体激光器VCSEL1，VCSEL2，可调光延时线VODL，两个光耦合器OC1，OC2，三端口光环型器Circulator，垂直腔半导体光放大器VCSOA，为垂直腔半导体光放大器提供偏置电流和温度控制的Bias and TEC，两个带通滤波器λ1，λ2组成。所述的VCSEL1，VCSEL2分别输出一个光脉冲；其中VCSEL2输出的光脉冲经VODL与VCSEL1输出的光脉冲形成时差；两个光脉冲经OC1、Circulator注入到VCSOA；VCSOA作用后的两个光脉冲经Circulator，OC2，λ1，λ2分别输出；通过调整VODL，可观察到光域突触可塑性。
本实例中，方法的具体实施步骤是：
步骤一：VCSOA的峰值谐振波长为1550.3nm，VCSEL1的波长也为1550.3nm。VCSEL2的波长为1550.36nm，但是可以根据研究需求用温度控制器精确调控。λ1，λ2分别与VCSEL1，VCSEL2匹配。Circulator为三端口光环形器。OC1有两个输入端一个输出端，OC2有一个输入端两个平均分配功率的输出端。VODL的调谐范围为-1500ps到1500ps。
步骤二：调节VCSOA的偏置电流为0.6mA，VCSEL2的频率失谐为0.06nm，输出的脉冲功率为5μw，VCSEL1输出的脉冲功率为25μw。两台VCSEL同时输出脉冲光，改变VODL，使两个脉冲光到达VCSOA的时刻不同，测量VCSOA输出脉冲光的最大功率。
步骤三：计算脉冲时间依赖可塑性曲线。数学表达式如下：
Figure BSA0000168842490000031
其中，Δt代表VCSEL2输出的脉冲与VCSEL1输出的脉冲到达VCSOA时的时间差。P2max代表VCSEL2输出的脉冲比VCSEL1输出的脉冲率先进入VCSOA，即Δt＜0，此时从VCSOA输出的峰值脉冲的功率；Pout2(t)代表不同Δt条件下VCSEL2输出的脉冲经过VCSOA后的峰值脉冲功率。
步骤四：根据不同的Δt与Δω绘制脉冲时间依赖可塑性曲线如图2所示。
步骤五：改变VCSOA的偏置电流为0.64mA，其他参数同步骤二，重复步骤二到步骤四的操作，得到脉冲时间依赖可塑性曲线如图3所示。
步骤六：改变VCSEL2的波长为1550.33nm，其他参数同步骤二，重复步骤二到步骤四的操作，得到脉冲时间依赖可塑性曲线如图4所示。
步骤七：改变VCSEL2输出的脉冲功率为25μw，其他参数同步骤二，重复步骤二到步骤四的操作，得到脉冲时间依赖可塑性曲线如图5所示。
综合以上陈述，本发明具有如下特征：1).利用垂直腔半导体光放大器实现光域的脉冲时间依赖可塑性；2).需要的偏置电流低；3).对注入脉冲的功率需求低；4).时间窗口调谐范围大。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同的变形和替换(比如适当改变工作电流的大小，改变频率失谐，改变注入脉冲功率的大小)也应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种基于垂直腔半导体光放大器的低功耗光学突触装置，包括两个垂直腔面发射半导体激光器VCSEL1,VCSEL2，可调光延时线VODL，两个光耦合器OC1,OC2，三端口光环型器Circulator，垂直腔半导体光放大器VCSOA，为垂直腔半导体光放大器提供偏置电流和温度控制的Bias and TEC，两个带通滤波器λ1,λ2，其特征在于，VCSE1输出端与OC1的一个输入端相连；VCSEL2的输出端与VODL的输入端相连；VODL的输出端与OC1的另一个输入端相连；OC1的输出端与Circulator的1端口相连；Circulator的2端口与VCSOA相连；Circulator的3端口与OC2的输入端相连；OC2的两个输出端分别于λ1,λ2的输入端相连；Bias and TEC与VCSOA相连；λ1,λ2的输出端经光电探测器与示波器相连进行测试。
2.根据权利要求1所述的基于垂直腔半导体光放大器的低功耗光学突触装置，其特征在于，所述的VCSEL1，VCSEL2分别输出一个光脉冲；其中VCSEL2输出的光脉冲经VODL与VCSEL1输出的光脉冲形成时差；两个光脉冲经OC1，Circulator注入到VCSOA；VCSOA作用后的两个光脉冲经Circulator，OC2，λ1,λ2分别输出；通过调整VODL，可观察到光域的脉冲时间依赖突触可塑性。
3.根据权利要求1所述的基于垂直腔半导体光放大器的低功耗光学突触装置，其特征在于，用VCSOA实现光学突触。
4.根据权利要求1所述的基于垂直腔半导体光放大器的低功耗光学突触装置，其特征在于，低功耗，为VCSOA提供0.5mA～0.64mA的偏置电流即可工作；需要输入光信号的光功率小，仅需要微瓦级即可工作。
5.根据权利要求1所述的基于垂直腔半导体光放大器的低功耗光学突触装置，其特征在于，大范围调谐，连续调谐的时间范围为-1500ps到1500ps。
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