CN112269270B - 基于垂直腔面发射激光器双偏振态的回声状态网络系统 - Google Patents

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Abstract

本发明基于垂直腔面发射激光器双偏振态的回声状态网络系统，属于机器学习技术领域；所要解决的技术问题为：提供基于垂直腔面发射激光器双偏振态的回声状态网络系统结构的改进；解决上述技术问题采用的技术方案为：包括输入层、储备池、输出层，所述输入层用于输入数据的预处理，驱动VCSEL激光器产生两种偏振光经调制后以平行光注入的方式将两种偏振光注入到储备池中；所述储备池的响应VCSEL激光器的两种输出偏振光进入四分之一波片后经中性密度滤波器到反射镜，所述反射镜的一部分光输出到输出层，所述反射镜的另一部分光反馈回响应VCSEL激光器，形成正交偏振反馈回路；所述输出层用于将两种偏振分束后转换为电信号并输出；本发明应用于机器学习。

Description

基于垂直腔面发射激光器双偏振态的回声状态网络系统
技术领域
本发明属于机器学习技术领域，具体涉及双偏振光反馈垂直腔面发射激光器回声状态网络系统。
背景技术
作为机器学习方法，回声状态网络具有训练方式简单，实现方式多样的优势。基于边发射半导体激光器的回声状态网络是易于硬件实现的回声状态网络系统。相比于电域的实现方式，全光实现具有响应速度快的优势。基于边发射半导体激光器的回声状态网络系统一般用边发射半导体激光器加延迟反馈环的结构来实现。输入数据经过采样，保持一个反馈环的延迟时间，与随机生成的掩模信号相乘后，串行输入到储备池中。处理速度取决于反馈环的延迟时间(或者说掩模周期)。处理复杂度高的任务需要更多的储备池节点，当节点间隔固定，增加节点数只能延长反馈环长度，这降低了回声状态网络系统的处理速度。
考虑到基于边发射半导体激光器的回声状态网络系统存在的问题，本发明提出基于垂直腔面发射激光器双偏振态的高速回声状态网络系统具有重大意义。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供基于垂直腔面发射激光器双偏振态的回声状态网络系统结构的改进。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于垂直腔面发射激光器双偏振态的回声状态网络系统，包括输入层、储备池、输出层，所述输入层用于输入数据的预处理，驱动VCSEL激光器产生两种偏振光，经输入信号调制后，以平行光注入的方式将两种偏振光注入到储备池中；
所述储备池包括具有外部反射镜的响应VCSEL激光器，所述响应VCSEL激光器的两种输出偏振光进入四分之一波片后经中性密度滤波器到反射镜，所述反射镜的一部分光输出到输出层，所述反射镜的另一部分光反馈回响应VCSEL激光器，形成正交偏振反馈回路；
所述输出层用于将两束偏振光分束后转换为电信号，并输出串接形成的总的响应状态。
所述输入层包括驱动VCSEL激光器、任意波形发生器、调制器和耦合器，所述任意波形发生器产生预处理后的输入信号，所述输入信号通过调制器调制驱动VCSEL激光器的总输出光，然后以平行光注入的方式将两种偏振光注入到储备池中。
所述输出层包括偏振分束器、光纤准直器、光电探测器和双通道数字化仪；
所述偏振分束器分出相互垂直的偏振光，所述光纤准直器将两束不同偏振态的空间光耦合进光电探测器，所述光电探测器将储备池输出的两种偏振光光强转换成电信号，所述双通道数字化仪采集两种输出信号，并将两种输出信号通过串接形成总的响应状态，在训练阶段作伪逆计算然后与目标输出相乘，求得输出权值，在测试阶段与输出权值相乘得到输出结果。
所述驱动VCSEL激光器用于同时激射两种正交偏振光。
所述反射镜将20％-30％的光投射到输出层，将70％-80％的光反射回反馈回路。
所述偏振分束器分出的两种偏振光分别取虚拟节点然后串接来增加节点数量。
所述调制器具体采用相位调制方式。
本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供的回声状态网络与基于边发射半导体激光器的回声状态网络系统相比，在相同的虚拟节点数量的要求下，利用VCSEL激光器的两种偏振状态可以减少一半的反馈环路延时时间，处理速度提升为原来的2倍，同时，VCSEL激光器的使用减小了回声状态网络系统的体积，易于集成化。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为基于垂直腔面发射激光器双偏振态的高速回声状态网络系统在反馈环路延时为2ns时，对于mackey-glass混沌预测任务的预测结果。
图中：1为驱动VCSEL激光器、2为任意波形发生器、3为调制器、4为耦合器、5为响应VCSEL激光器、6为四分之一波片、7为中性密度滤波器、8为反射镜、9为偏振分束器、10为光纤准直器、11为光电探测器、12为双通道数字化仪、100为输入层、200为储备池、300为输出层。
具体实施方式
如图1至图2所示，本发明基于垂直腔面发射激光器双偏振态的回声状态网络系统，包括输入层100、储备池200、输出层300，所述输入层100用于输入数据的预处理，驱动VCSEL激光器产生两种偏振光，经输入信号调制后，以平行光注入的方式将两种偏振光注入到储备池200中；
所述储备池200包括具有外部反射镜的响应VCSEL激光器5，所述响应VCSEL激光器5的两种输出偏振光进入四分之一波片6后经中性密度滤波器7到反射镜8，所述反射镜8的一部分光输出到输出层300，所述反射镜8的另一部分光反馈回响应VCSEL激光器5，形成正交偏振反馈回路；
所述输出层300用于将两束偏振光分束后转换为电信号，并输出串接形成的总的响应状态。
所述输入层100包括驱动VCSEL激光器1、任意波形发生器2、调制器3和耦合器4，所述任意波形发生器2产生预处理后的输入信号，所述输入信号通过调制器3调制驱动VCSEL激光器1的总输出光，然后以平行光注入的方式将两种偏振光注入到储备池200中。
所述输出层300包括偏振分束器9、光纤准直器10、光电探测器11和双通道数字化仪12；
所述偏振分束器9分出相互垂直的偏振光，所述光纤准直器10将两束不同偏振态的空间光耦合进光电探测器11，所述光电探测器11将储备池200输出的两种偏振光光强转换成电信号，所述双通道数字化仪12采集两种输出信号，并将两种输出信号通过串接形成总的响应状态，在训练阶段作伪逆计算然后与目标输出相乘，求得输出权值，在测试阶段与输出权值相乘得到输出结果。
所述驱动VCSEL激光器1用于同时激射两种正交偏振光。
所述反射镜8将20％-30％的光投射到输出层300，将70％-80％的光反射回反馈回路。
所述偏振分束器9分出的两种偏振光分别取虚拟节点然后串接来增加节点数量。
所述调制器3具体采用相位调制方式。
本发明提供的基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)双偏振态的高速回声状态网络系统，主要包括输入层100、储备池200和输出层300。输入层100包括驱动VCSEL激光器1、任意波形发生器2、调制器3和耦合器4；任意波形发生器2产生预处理后的输入信号，通过调制器3调制驱动VCSEL激光器1的总输出光，然后以平行光注入的方式将两种偏振光注入到储备池200中；储备池200包括具有外部反射镜的响应VCSEL激光器5，其具体光路为：响应VCSEL激光器5的两种偏振光进入四分之一波片6，经中性密度滤波器7到反射镜8，反射镜8的一部分光输出到输出层300，另一部分反馈回响应VCSEL激光器5，形成正交偏振反馈回路；输出层300包括一个偏振分束器9、两个光纤准直器10、一对光电探测器11和一个双通道数字化仪12；偏振分束器9分出相互垂直的偏振光，光纤准直器10将两束不同偏振态的空间光耦合进光电探测器11，光电探测器11将储备池200输出的两种偏振光光强转换成电信号，双通道数字化仪12采集两种输出信号，串接形成总的响应状态，在训练阶段作伪逆计算然后与目标输出相乘，求得输出权值，在测试阶段与输出权值相乘得到输出结果。
具体实施时，通过数值仿真基于垂直腔面发射激光器双偏振态的高速回声状态网络系统在反馈延时为2ns时，对mackey-glass混沌序列任务的处理性能，验证本发明的可行性和技术优势。
在本实例中，对图1所示的基于垂直腔面发射激光器双偏振态的高速回声状态网络系统，其输入层100的调制器3为相位调制方式。驱动VCSEL激光器1和响应VCSEL激光器5具有相近的参数结构。
本发明基于垂直腔面发射激光器双偏振态的高速回声状态网络系统，建立速率方程如
Figure BDA0002756735510000041
Figure BDA0002756735510000042
Figure BDA0002756735510000043
Figure BDA0002756735510000044
下：S(t)＝Ginu(n)M(t)
其中，E表示响应VCSEL激光器5的慢变电场复振幅，N表示载流子浓度，n代表偏振光载流子数之差。下标x、y表示VCSEL激光器的X偏振和Y偏振模式，k表示场衰减速率，α代表线宽增强因子，γN(γs)表示N的衰减速率(自旋反转速率)，γa(γp)表示线性二向色性(线性双折射)，τ为反馈延时时间，v表示输出光频率，Δv表示主从激光器的频率失谐，μ是归一化偏置电流(μ＝1代表阈值电流)，kd和kinj分别表示反馈强度和注入强度，S(t)代表调制信号，Gin为输入信号尺度因子，u(n)为输入信号，M(t)为输入掩模。
这里，设置仿真参数值如下：k＝300ns-1,α＝3,γN＝1ns-1,γs＝50ns-1,γa＝0.1ns-1,γp＝10ns-1，|ε|＝2/3，kd＝10ns-1，kinj＝30ns-1，v＝c/λ(λ＝850nm)，Δv＝0GHz，μ＝1.7Ith(Ith为归一化阈值电流)。
设置虚拟节点间隔θ＝0.02，反馈环的虚拟节点数为100×2(X、Y偏振光分别取虚拟节点并串接)，延迟反馈时间和掩模周期T为100×θ＝2ns。利用已知mackey-glass数据训练输出权重后，做预测任务，得到标准化均方误差(NMSE)为0.0049，真实信号与预测值如图2所示，从图中可以看出，两种信号几乎重合，这表示良好的预测结果。
关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.基于垂直腔面发射激光器双偏振态的回声状态网络系统，其特征在于：包括输入层（100）、储备池（200）、输出层（300），所述输入层（100）用于输入数据的预处理，驱动VCSEL激光器产生两种偏振光，经输入信号调制后，以平行光注入的方式将两种偏振光注入到储备池（200）中；
所述储备池（200）包括具有外部反射镜的响应VCSEL激光器（5），所述响应VCSEL激光器（5）的两种输出偏振光进入四分之一波片（6）后经中性密度滤波器（7）到反射镜（8），所述反射镜（8）的一部分光输出到输出层（300），所述反射镜（8）的另一部分光反馈回响应VCSEL激光器（5），形成正交偏振反馈回路；
所述输出层（300）用于将两束偏振光分束后转换为电信号，并输出串接形成的总的响应状态；
所述输入层（100）包括驱动VCSEL激光器（1）、任意波形发生器（2）、调制器（3）和耦合器（4），所述任意波形发生器（2）产生预处理后的输入信号，所述输入信号通过调制器（3）调制驱动VCSEL激光器（1）的总输出光，然后以平行光注入的方式将两种偏振光注入到储备池（200）中；
所述输出层（300）包括偏振分束器（9）、光纤准直器（10）、光电探测器（11）和双通道数字化仪（12）；
所述偏振分束器（9）分出相互垂直的偏振光，所述光纤准直器（10）将两束不同偏振态的空间光耦合进光电探测器（11），所述光电探测器（11）将储备池（200）输出的两种偏振光光强转换成电信号，所述双通道数字化仪（12）采集两种输出信号，并将两种输出信号通过串接形成总的响应状态，在训练阶段作伪逆计算然后与目标输出相乘，求得输出权值，在测试阶段与输出权值相乘得到输出结果。
2.根据权利要求1所述的基于垂直腔面发射激光器双偏振态的回声状态网络系统，其特征在于：所述驱动VCSEL激光器（1）用于同时激射两种正交偏振光。
3.根据权利要求1所述的基于垂直腔面发射激光器双偏振态的回声状态网络系统，其特征在于：所述反射镜（8）将20%-30%的光投射到输出层（300），将70%-80%的光反射回反馈回路。
4.根据权利要求1所述的基于垂直腔面发射激光器双偏振态的回声状态网络系统，其特征在于：所述偏振分束器（9）分出的两种偏振光分别取虚拟节点然后串接来增加节点数量。
5.根据权利要求1所述的基于垂直腔面发射激光器双偏振态的回声状态网络系统，其特征在于：所述调制器（3）具体采用相位调制方式。
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