CN112699995A - 基于半导体光放大器的光学激活装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种基于半导体光放大器的光学激活装置，包括：光功率分束器，用于接收光信号，并能够将所述光信号分束为第一光信号和第二光信号输出；光电探测器，用于接收所述第一光信号并将所述第一光信号转换成电信号输出；电放大器，用于接收所述电信号，并将所述电信号进行功率放大，形成放大电信号且输出；半导体光放大器，用于接收所述放大电信号及所述第二光信号，使得半导体光放大器在所述放大电信号的作用下实现对第二光信号的传送、放大或截断。
Description
技术领域
本公开涉及微波光子学和光学神经网络技术领域，尤其涉及一种基于半导体光放大器的光学激活装置。
背景技术
近年来，人们对专门用于机器学习任务的高性能和高效率的替代计算平台产生了浓厚的兴趣。传统电学设备为了满足机器学习的条件，首先需要将模拟信号转换成数字信号之后，才能进一步利用计算机的编程功能来实现神经网络的训练。但是，计算机处理系统受到顺序指令执行和内存访问瓶颈的限制，很难高效率地满足未来大带宽大数据的处理需求。在此背景下，光学神经网络的概念被提出。与通过计算机的编程实现深度学习不同，计算机处理的是数字信号，而光学系统是直接对模拟信号进行处理。光学硬件平台由于其超大的信号带宽、低延迟和可重构性，对计算和信号处理而受到了广泛的关注。
光学神经网络的基本概念与我们传统所认知的神经网络的概念相同，不同的是传统的是在计算机上实现的，并且处理的是数字信号，光学神经网络是在光学设备上实现，处理的是模拟信号。对于神经网络，一个很重要的组成部分是激活函数的建立，它让神经网络能够通过训练结果构建学习输入和输出之间的复杂映射。目前所采用的激活函数由sigmoid函数、ReLU函数、或者tanh函数等，这些函数都是非线性的。光学设备去实现非线性效应是一个很苛刻的过程，需要大功率，大规模光纤的辅助，这不仅加大了系统的成本，还使得整个系统的体积架构变得笨重复杂，且功率耗散严重。因此，设计一种低功耗、小体积、结构简单的光学激活装置来实现光学神经网络的激活函数功能是近年来在光学神经网络领域的一个重要关注点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种基于半导体光放大器的光学激活装置，以期解决上述提及的技术问题中的至少之一。
(二)技术方案
本公开提供一种基于半导体光放大器的光学激活装置，包括：
光功率分束器，用于接收光信号，并能够将所述光信号分束为第一光信号和第二光信号输出；
光电探测器，用于接收所述第一光信号并将所述第一光信号转换成电信号输出；
电放大器，用于接收所述电信号，并将所述电信号进行功率放大，形成放大电信号且输出；
半导体光放大器，用于接收所述放大电信号及所述第二光信号，使得半导体光放大器在所述放大电信号的作用下实现对第二光信号的放大或截断。
在本公开实施例中，所述光功率分束器分出的所述第二光信号与所述第一光信号的功率比可调。
进一步地，所述光功率分束器的所述功率比大于0且小于等于1。
在本公开实施例中，所述光功率分束器输出的第二光信号与第一光信号的功率比为1∶9。
在本公开实施例中，所述光功率分束器分出的工作波长在1530nm～1610nm。
在本公开实施例中，所述光电探测器的响应度在0.8以上，且工作带宽在20GHz以上。
在本公开实施例中，，所述电放大器的增益可调，且调节范围为10dB～50dB。
在本公开实施例中，所述半导体光放大器的工作波长为1550nm。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开基于半导体光放大器的光学激活装置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)实现了光学激活函数的功能；
(2)减小系统的体积和功率损耗，为光学神经网络的建立提供硬件支持；以及
(3)可以使整个激活装置跟随系统的功率损耗情况自适应地调节阈值。
附图说明
图1为本公开实施例中基于半导体光放大器的光学激活装置结构示意图；
图2为本公开实施例中基于半导体光放大器的光学激活装置的功率响应曲线。
具体实施方式
本公开提供了一种基于半导体光放大器的光学激活装置，所述装置为基于半导体光放大器的光学激活装置，利用半导体光放大器的非线性功率放大的效应来实现光学激活函数的功能，同时，减小系统的体积和功率损耗，为光学神经网络的建立提供硬件支持。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种基于半导体光放大器的光学激活装置，所述光学激活装置，包括：用于接收光信号，并能够将所述光信号分束为第一光信号和第二光信号输出的光功率分束器；用于接收所述第一光信号，且能够将所述第一光信号转换成电信号输出的光电探测器；用于接收所述电信号，并将所述电信号进行功率放大，形成放大电信号且输出的电放大器；用于接收所述放大电信号及所述第二光信号，其所述放大电信号能够激活所述半导体光放大器，使所述第二光信号进入所述半导体光放大器，通过所述半导体光放大器将所述第二光信号功率放大，形成放大光信号并输出的半导体光放大器。
在本公开实施例中，所述光功率分束器分出的所述第二光信号与所述第一光信号的功率比可调。
进一步地，所述光功率分束器的所述功率比大于0且小于等于1。
在本公开实施例中，所述光功率分束器分出的工作波长在1530nm～1610nm。
在本公开实施例中，所述光电探测器的响应度在0.8以上，且工作带宽在20GHz以上。
在本公开实施例中，所述电放大器的增益可调，且调节范围为10dB～50dB。
在本公开实施例中，所述半导体光放大器的工作波长为1550nm。
具体地，如图1所示，本发明提供一种基于半导体光放大器的光学激活装置，所述光学激活装置的特点是，如果进入所述光学激活装置的功率不够大(即没有达到激活阈值)，其输出端的放大光信号在理想的情况下是没有信号输出的，在实际应用中，定义当输出功率极小的时候，就是没有输出，即所述光学激活装置没有被激活。
根据以上的定义，设计了图1所示的结构，首先，输入光功率进入到分光比可调的光功率分束器(设该功率分束比为1∶9)，其中，90％的功率被分为第一光信号，进行光电探测，转换成电信号用于对半导体光放大器进行电泵浦，另外10％的功率被分为第二光信号，直接进入半导体光放大器被放大。通过这个结构可以发现，被用作电泵浦的第一光信号，最终通过光电探测器转换出来的电流是与输入功率相匹配的。如果输入功率很低，则相应的电泵浦电流也很小，半导体光放大器就无法正常实现光放大的功能，甚至会损耗那另外10％功率的第二光信号，在这种情况下，该光学激活装置的输出功率就很小，相当于没有被激活。当功率足够大，通过光电转换出来的泵浦电流就能够驱动半导体光放大器对那10％功率的第二光信号进行放大并且输出相应的功率，对此就实现了该装置的激活，并且无失真地传输了相应的信息。
如图2所示，是该装置的响应曲线和理想ReLU函数响应曲线的对比图，可以看出，两者的趋势大体吻合，在小功率情况下半导体光放大器没有输出或者输出接近于0，而在大功率情况下，半导体光放大器可以实现对信号无失真的传输。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于半导体光放大器的光学激活装置有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种基于半导体光放大器的光学激活装置，该光学激活装置能够利用半导体光放大器的非线性功率放大的效应来实现光学激活函数的功能，同时，减小系统的体积和功率损耗，为光学神经网络的建立提供硬件支持。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于半导体光放大器的光学激活装置，包括：
光功率分束器，用于接收光信号，并能够将所述光信号分束为第一光信号和第二光信号输出；
光电探测器，用于接收所述第一光信号并将所述第一光信号转换成电信号输出；
电放大器，用于接收所述电信号，并将所述电信号进行功率放大，形成放大电信号且输出；
半导体光放大器，用于接收所述放大电信号及所述第二光信号，使得半导体光放大器在所述放大电信号的作用下实现对第二光信号的放大或截断。
2.根据权利要求1所述的光学激活装置，其中，所述光功率分束器分出的所述第二光信号与所述第一光信号的功率比可调。
3.根据权利要求2所述的光学激活装置，其中，所述光功率分束器的所述功率比大于0且小于等于1。
4.根据权利要求3所述的光学激活装置，其中，所述光功率分束器输出的第二光信号与第一光信号的功率比为1∶9。
5.根据权利要求1所述的光学激活装置，其中，所述光功率分束器分出的工作波长在1530nm～1610nm。
6.根据权利要求1所述的光学激活装置，其中，所述光电探测器的响应度在0.8以上，且工作带宽在20GHz以上。
7.根据权利要求1所述的光学激活装置，其中，所述电放大器的增益可调，且调节范围为10dB～50dB。
8.根据权利要求1所述的光学激活装置，其中，所述半导体光放大器的工作波长为1550nm。
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