CN114548393B - 一种大操作空间的储备池计算高速信息处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大操作空间的储备池计算高速信息处理系统，涉及光子储备池计算、高速信息处理领域。该系统包括输入层、储备池层、输出层；首先在输入层，任意波形发生器产生掩模后的输入信号后作为调制信号传送到马赫‑曾德尔调制器上，然后驱动激光器作为输入光源，其输出光分别经过马赫‑曾德尔调制器、光隔离器、耦合器Ⅰ、环形器和耦合器Ⅱ注入到微腔激光器中；该激光器的输出经过耦合器Ⅱ分为两路一路经过环形器形成反馈回路重新传送回集成外部0.25mm的耦合波导，端面镀10%反射率的透反膜的微腔激光器中，另一路通过光电转换后连接信号采集与处理装置。本发明成本较低，而且具有较低的阈值电流，可获得较小的虚拟节点间隔，有效解决科技高速发展而带来的信息量暴涨的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光子储备池计算、高速信息处理领域，具体为一种大操作空间的储备池计算高速信息处理系统。
背景技术
由于目前科技的高速发展而带来信息量爆炸式增长，高速的信息处理方法变得日益迫切。然而电子神经网络受限于电子工艺的技术难以提高功率效率与计算速度。为解决这一局限，提出了具有高速和低功耗性的光子神经网络。神经网络的非线性需要依赖大量神经元的相互连接；并且在训练过程中，其每层权重都要训练，这无疑耗费了大量的计算容量和时间，同时从物理器件实现的角度来看，硬件实现也是十分困难的。针对这一缺陷，(Nat. Commun., 2, 468, 2011)文章中提出了一种简单的延时型储备池计算结构，带有延迟环的单个非线性节点产生的虚拟节点代替了中间层中大量的物理节点，从而极大简化了硬件实现。
储备池计算系统为实现更好的性能十分依赖于使其稳定的区域，而(Opt. Lett.,46(24), 6035-6038, 2021)文章指出传统的半导体激光器由于本身具有对反馈强度敏感的固有属性导致使其处于稳定状态的反馈强度范围较小。同时由于储备池计算系统的参数之间具有相互制约的关系，所以使得该系统良好运行的其他参数(如注入强度、频率失谐等)的范围也会缩小，进而对实施系统所处的环境要求十分苛刻。并且为了解决信息量暴涨的问题，需进一步提高系统的信息处理速率。但是光子储备池计算系统信息处理速率受到虚拟节点间隔的限制难以提高，而虚拟节点间隔能否减小取决于弛豫振荡频率和光子寿命。
半导体激光器由于具有高带宽、低功耗、体积小等特性成为非线性节点的理想选择，受到了广泛的关注和研究。其中，微腔激光器超短的光子寿命，高偏置电流下，较高的弛豫振荡频率和平坦的小信号调制曲线等特性，使得该系统可取得一个更小的时间间隔，从而有效提高信息处理速率。同时，(Nanophotonics, 9(13), 4163–4171,2020)文章已证实，增强的带宽有助于提升信息处理速率。此外，重要的是，(Nat. Commun., 2, 468, 2011)研究显示为实现更好的性能，储备池应该工作在稳定的区域内；但通常半导体激光器对光反馈很敏感导致稳定工作区域较小，又因储备池计算系统中各参数之间存在相互制约关系，从而对注入强度、频率失谐等参数范围产生一定的限制。(Opt. Express, 25(3),2401-2412, 2017) 研究表明反馈强度影响不同频率失谐下激光器表现出的锁定状态，使得系统良好运行的条件极为苛刻。而（Chin. Phys. B，30(12), 120513, 2021）研究显示微腔激光器在反馈强度小于30%的范围内均处于稳态，而此状态下的分布式反馈激光器的反馈强度范围仅能取到3%左右，可操作空间提高了近十倍，易于实现。不仅如此，它还采用了平面半导体工艺制备，成本低廉，并且拥有体积小（立方微米量级）、低功耗、阈值电流低、易于集成等优势是大规模光子集成的绝佳候选者。基于上述技术分析，可以采用上述原件组合整理，以改进储备池计算系统的信息处理速度。
发明内容
本发明为了解决现有的储备池计算系统信息处理速度受延迟环长度影响难以提高，以及信息量暴涨使得信息处理速度不能满足要需要的问题，提供了一种大操作空间的储备池计算高速信息处理系统。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种大操作空间的储备池计算高速信息处理系统，包括三层，分别为输入层、储备池层、输出层；所述输入层、储备池层、输出层集成为一体；所述输入层包括驱动激光器、任意波形发生器、马赫-曾德尔调制器与光隔离器，所述驱动激光器的输出端通过光纤连接马赫-曾德尔调制器的输入端，所述马赫-曾德尔调制器采用任意波形发生器所产生掩模后的输入信号作为调制信号，所述马赫-曾德尔调制器的输出端通过光纤连接光隔离器的输入端；所述储备池层包括耦合器Ⅰ、环形器、耦合器Ⅱ与微腔激光器；所述光隔离器的输出端通过光纤连接耦合器Ⅰ的其中一个输入端，所述耦合器Ⅰ的输出端通过光纤连接环形器的其中一个输入端，所述环形器的其中一个输出端通过光纤连接耦合器Ⅱ、另一个输出端通过光纤连接耦合器Ⅰ的另一个输入端，所述耦合器Ⅱ通过光纤连接集成外部0.25mm的耦合波导，端面镀10%反射率的透反膜的微腔激光器；所述耦合器Ⅱ其中一个输出端与环形器连接；所述输出层包括信号采集与处理装置和光电转换器，所述信号采集与处理装置包括计算机与示波器；所述耦合器Ⅱ的另一个输出端通过光电转换器连接示波器，所述示波器连接于计算机。
本发明所设计的一种大操作空间的储备池计算高速信息处理系统，主要是利用了微腔激光器超短的光子寿命（皮秒量级），高偏置电流下，较高的弛豫振荡频率和平坦的小信号调制曲线等特性，促使该系统取得一个更小的时间间隔，可以带来短外腔延时，因此可以有效提高信息处理速率；同时由于其具有高带宽、低功耗、体积小等特性成为非线性节点的较佳选择。而传统的分布式反馈半导体激光器受其光子寿命和弛豫振荡频率的影响，虚拟节点间隔难以降低，无法实现0.25mm的短外腔长度。该系统包括三层，分别为输入层、储备池层、输出层；输入层包括驱动激光器、任意波形发生器、马赫-曾德尔调制器与光隔离器，驱动激光器的输出端通过光纤连接马赫-曾德尔调制器的输入端，马赫-曾德尔调制器采用任意波形发生器所产生掩模后的输入信号作为调制信号，任意波形发生器可提供掩模后的模拟输入信号，由于系统属于机器学习中的监督学习方法，就是系统进行学习的时候要有参照，这里的输入信号类似参考；马赫-曾德尔调制器的作用为将输入信号搭载到由驱动激光器产生的载波上注入到微腔激光器中，马赫-曾德尔调制器的输出端通过光纤连接光隔离器的输入端，光隔离器的作用为限制传输光的方向，对光纤回波反射回的光进行隔离，从而提高光波传输效率；储备池层包括耦合器Ⅰ、环形器、耦合器Ⅱ与微腔激光器；光隔离器的输出端通过光纤连接耦合器Ⅰ的其中一个输入端，耦合器Ⅰ的输出端通过光纤连接环形器的其中一个输入端，耦合器Ⅰ的作用为合并光路与形成光反馈，环形器的其中一个输出端通过光纤连接耦合器Ⅱ、另一个输出端通过光纤连接耦合器Ⅰ的另一个输入端，环形器的作用为使系统形成闭环回路，产生一定的反馈延时。耦合器Ⅱ通过光纤连接集成外部0.25mm的耦合波导，端面镀10%反射率的透反膜的微腔激光器；此处的微腔激光器可以带来短外腔延时，考虑到微腔激光器高Q值导致反馈光耦合效率偏低，所以将反射率控制在5%-15%，以保证反馈强度可以达到0.5%。耦合器Ⅱ其中一个输出端与环形器连接；耦合器Ⅱ作用为分开光路与形成光反馈。输出层包括信号采集与处理装置和光电转换器，光电转换器用于信号转换，信号采集与处理装置包括计算机与示波器；耦合器Ⅱ的另一个输出端通过光电转换器连接于示波器，示波器连接于计算机，是为数据处理的过程。本发明所提到的大操作空间，是通过微腔激光器所具备的较大的反馈强度范围来决定的。
本发明的一种大操作空间的储备池计算高速信息处理系统的信息处理方法，具体如下：在输入层中，首先任意波形发生器产生掩模后的输入信号后作为调制信号传送到马赫-曾德尔调制器上，然后驱动激光器作为输入光源，所述驱动激光器的输出光分别经过马赫-曾德尔调制器、光隔离器、耦合器Ⅰ、环形器和耦合器Ⅱ注入到微腔激光器中；所述微腔激光器的输出经过耦合器Ⅱ分为两路一路经过环形器形成反馈回路重新传送回微腔激光器中，另一路通过光电转换器连接信号采集与处理装置，将示波器中读取到的数据传送到计算机中，然后进行与输出权重的线性叠加得到最终的输出。
优选的，所述驱动激光器为分布式反馈激光器。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种大操作空间的储备池计算高速信息处理系统，可以作为集成化的产品进行使用；对比现有时滞储备池计算系统，使其良好运行的频率失谐的范围在±30GHz内，而本专利能到±50GHz左右，同时受限于使储备池稳定运行的反馈强度范围及其引发的一系列重要参数如注入强度、频率失谐等，使得这些系统可操作性较低难以付诸实际。而本发明中微腔激光器在较大的反馈强度范围内均可处于稳定状态，对工作环境的容忍度极高，易于大规模的生产。此外，相比于传统的半导体激光器，该激光器拥有极短的光子寿命（皮秒量级）和高偏置电流下，较高的弛豫振荡频率及平坦的小信号调制曲线，可获得较小的虚拟节点间隔。在技术的提升下该系统有望实现40 Gbps的信息处理速率，可有效解决科技高速发展而带来的信息量暴涨的问题。此外由于该激光器采用了平面半导体工艺制备，成本较低，而且具有较低的阈值电流，12倍阈值电流仍低于分布式反馈激光器的3倍阈值电流，功耗极低，上述特性使得该系统可满足实际使用中高性价比的需求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中标记如下：1-驱动激光器，2-马赫-曾德尔调制器，3-任意波形发生器，4-光隔离器，5-耦合器Ⅰ，6-环形器，7-耦合器Ⅱ，8-微腔激光器，9-信号采集与处理装置，10-光电转换器。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种大操作空间的储备池计算高速信息处理系统，如图1所示：包括三层，分别为输入层、储备池层、输出层；所述输入层、储备池层、输出层集成为一体；所述输入层包括驱动激光器1、任意波形发生器3、马赫-曾德尔调制器2与光隔离器4，所述驱动激光器1的输出端通过光纤连接马赫-曾德尔调制器2的输入端，所述马赫-曾德尔调制器2采用任意波形发生器3所产生掩模后的输入信号作为调制信号，所述马赫-曾德尔调制器2的输出端通过光纤连接光隔离器4的输入端；所述储备池层包括耦合器Ⅰ5、环形器6、耦合器Ⅱ7与微腔激光器8；所述光隔离器4的输出端通过光纤连接耦合器Ⅰ5的其中一个输入端，所述耦合器Ⅰ5的输出端通过光纤连接环形器6的其中一个输入端，所述环形器6的其中一个输出端通过光纤连接耦合器Ⅱ7、另一个输出端通过光纤连接耦合器Ⅰ5的另一个输入端，所述耦合器Ⅱ7通过光纤连接集成外部0.25mm的耦合波导，端面镀10%反射率的透反膜的微腔激光器8；所述耦合器Ⅱ7其中一个输出端与环形器6连接；所述输出层包括信号采集与处理装置9和光电转换器10，所述信号采集与处理装置9包括计算机与示波器；所述耦合器Ⅱ7的另一个输出端通过光电转换器10连接示波器，所述示波器连接于计算机。
本实施例采用了优选方案：所述驱动激光器1为分布式反馈激光器。
本实施例所提供的一种大操作空间的储备池计算高速信息处理系统的信息处理方法，具体如下：在输入层中，首先任意波形发生器3产生掩模后的输入信号后作为调制信号传送到马赫-曾德尔调制器2上，然后分布式反馈激光器作为输入光源，分布式反馈激光器的输出光分别经过马赫-曾德尔调制器2、光隔离器4、耦合器Ⅰ5、环形器6和耦合器Ⅱ7注入到微腔激光器8中；微腔激光器8的输出经过耦合器Ⅱ7分为两路一路经过环形器6形成反馈回路重新传送回微腔激光器8中，另一路通过光电转换器10连接信号采集与处理装置9，将示波器中读取到的数据传送到计算机中，然后进行与输出权重的线性叠加得到最终的输出。
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种大操作空间的储备池计算高速信息处理系统，其特征在于：包括三层，分别为输入层、储备池层、输出层；所述输入层包括驱动激光器（1）、任意波形发生器（3）、马赫-曾德尔调制器（2）与光隔离器（4），所述驱动激光器（1）的输出端通过光纤连接马赫-曾德尔调制器（2）的输入端，所述马赫-曾德尔调制器（2）采用任意波形发生器（3）所产生掩模后的输入信号作为调制信号，所述马赫-曾德尔调制器（2）的输出端通过光纤连接光隔离器（4）的输入端；
所述储备池层包括耦合器Ⅰ（5）、环形器（6）、耦合器Ⅱ（7）与微腔激光器（8）；所述光隔离器（4）的输出端通过光纤连接耦合器Ⅰ（5）的其中一个输入端，所述耦合器Ⅰ（5）的输出端通过光纤连接环形器（6）的其中一个输入端，所述环形器（6）的其中一个输出端通过光纤连接耦合器Ⅱ（7）、另一个输出端通过光纤连接耦合器Ⅰ（5）的另一个输入端，所述耦合器Ⅱ（7）通过光纤连接集成外部0.25mm的耦合波导，端面镀10%反射率的透反膜的微腔激光器（8）；所述耦合器Ⅱ（7）其中一个输出端与环形器（6）连接；
所述输出层包括信号采集与处理装置（9）和光电转换器（10），所述信号采集与处理装置（9）包括计算机与示波器；所述耦合器Ⅱ（7）的另一个输出端通过光电转换器（10）连接示波器，所述示波器连接于计算机。
2.根据权利要求1所述的一种大操作空间的储备池计算高速信息处理系统，其特征在于：所述驱动激光器（1）为分布式反馈激光器。
3.权利要求1所述的一种大操作空间的储备池计算高速信息处理系统的信息处理方法，其特征在于：在输入层中，首先任意波形发生器（3）产生掩模后的输入信号后作为调制信号传送到马赫-曾德尔调制器（2）上，然后驱动激光器（1）作为输入光源，所述驱动激光器（1）的输出光分别经过马赫-曾德尔调制器（2）、光隔离器（4）、耦合器Ⅰ（5）、环形器（6）和耦合器Ⅱ（7）注入到微腔激光器（8）中；所述微腔激光器（8）的输出经过耦合器Ⅱ（7）分为两路一路经过环形器（6）形成反馈回路重新传送回微腔激光器（8）中，另一路通过光电转换器（10）连接信号采集与处理装置（9），将示波器中读取到的数据传送到计算机中，然后进行与输出权重的线性叠加得到最终的输出。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016173917A1 (de) * | 2015-04-29 | 2016-11-03 | Leibniz-Institut Fuer Photonische Technologien E.V. | Faseroptischer lasergenerator |
| CN108155539A (zh) * | 2018-01-18 | 2018-06-12 | 西南大学 | 一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器 |
| CN108199776A (zh) * | 2018-02-08 | 2018-06-22 | 吉林大学 | 一种基于光电振荡器的微波光子上变频装置及方法 |
| CN113343813A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-09-03 | 太原理工大学 | 一种基于单节点光子储备池计算的动作视频识别方法 |
| CN113589236A (zh) * | 2021-07-22 | 2021-11-02 | 吉林大学 | 一种基于光电振荡环路结构的双啁啾波形信号发生器 |
| CN113777402A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-12-10 | 华东师范大学 | 一种基于受激布里渊散射效应的光子辅助微波信号时频分析装置及方法 |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016173917A1 (de) * | 2015-04-29 | 2016-11-03 | Leibniz-Institut Fuer Photonische Technologien E.V. | Faseroptischer lasergenerator |
| DE102015106633A1 (de) * | 2015-04-29 | 2016-11-03 | Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V. | Faseroptischer Lasergenerator |
| CN108155539A (zh) * | 2018-01-18 | 2018-06-12 | 西南大学 | 一种大范围连续可调的窄线宽光子微波发生器 |
| CN108199776A (zh) * | 2018-02-08 | 2018-06-22 | 吉林大学 | 一种基于光电振荡器的微波光子上变频装置及方法 |
| CN113343813A (zh) * | 2021-05-31 | 2021-09-03 | 太原理工大学 | 一种基于单节点光子储备池计算的动作视频识别方法 |
| CN113589236A (zh) * | 2021-07-22 | 2021-11-02 | 吉林大学 | 一种基于光电振荡环路结构的双啁啾波形信号发生器 |
| CN113777402A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-12-10 | 华东师范大学 | 一种基于受激布里渊散射效应的光子辅助微波信号时频分析装置及方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 混沌半导体激光器研究进展;乔丽君;杨强;柴萌萌;卫晓晶;张建忠;徐红春;张明江;;应用科学学报;20200730(04);全文 * |
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