WO2020170872A1

WO2020170872A1 - 光信号処理装置

Info

Publication number: WO2020170872A1
Application number: PCT/JP2020/004955
Authority: WO
Inventors: 志栞小仁所; 橋本　俊和; 光雅中島
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2020-02-07
Publication date: 2020-08-27
Anticipated expiration: 2021-08-19
Also published as: JP7139993B2; US20220137485A1; JP2020134680A

Abstract

リザーバ層のノード数を増加させることなく、演算精度を向上することができる光信号処理装置を提供する。入力された一次元信号を光信号に変換して信号処理を行う光信号処理装置であって、前記入力された一次元信号により線形処理を行って、多波長の光信号に変換する入力部と、前記入力部の出力に接続され、前記光信号に対して線形処理と非線形処理とを行うリザーバ部と、前記リザーバ部の出力に接続され、前記光信号を電気信号に変換して、線形処理を行って一次元出力を出力する出力部とを備えた。

Description

光信号処理装置

　本発明は、光リザーバコンピューティングに適用することができる光信号処理装置に関する。

　近年、インターネットを介して様々なセンサーから大量のデータを取得する環境が構築され、取得した大量のデータを解析して高精度な知識処理、未来予測を行う研究およびビジネスが活発に行われている。一般に膨大なデータの解析には時間と消費電力等のコストを要するため、高速性と高効率性等を備える演算機器が求められている。このような情報処理のための演算手法として、小脳の信号処理を真似たリザーバコンピューティング（ＲＣ）という光コンピューティング技術が提案されている。ＲＣという力学系を用いた光演算機器は、高速性と高効率性を同時に兼ね備える可能性を持つと注目を集めている。

　従来の光ＲＣの適用例では、カオス近似問題、ＮＡＲＭＡ１０等の一次元入出力問題を解く例が主に報告されてきた（例えば、非特許文献１参照）。さらに、光ＲＣの適用範囲を更に広げるためには、演算精度を高める必要がある。

L． Larger, et al．, "Photonic information processing beyond Turing: an optoelectronic implementation of reservoir computing," Optics Express Vol． 20, Issue 3, pp． 3241-3249 (2012)

　一般にＲＣでは、リザーバ層のノード数を増やすことによって演算精度が高くなることが知られている。光ＲＣの場合、リザーバ層のノードは、ファイバリングを周回する光パルスの数によって表現されるため、ノード数を増加させて演算精度を向上するには、周回する光パルスを時間多重して演算処理を行っていた。しかしながら、タスクとノードを全て時間上に展開してデータを入力していたため、ノード数を増やすほど、光ＲＣへ入力するデータ時間が長くなり、スループットが低下するという問題があった。

　本発明の目的は、リザーバ層のノード数を増加させることなく、演算精度を向上することができる光信号処理装置を提供することにある。

　本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、入力された一次元信号を光信号に変換して信号処理を行う光信号処理装置であって、前記入力された一次元信号により線形処理を行って、多波長の光信号に変換する入力部と、前記入力部の出力に接続され、前記光信号に対して線形処理と非線形処理とを行うリザーバ部と、前記リザーバ部の出力に接続され、前記光信号を電気信号に変換して、線形処理を行って一次元出力を出力する出力部とを備えたことを特徴とする。

　本発明によれば、ノードを時間軸方向へ展開する代わりに、波長方向へ展開する光ＲＣを作製することによって、データの入力時間を増やすことなく、光ＲＣのスループットを向上させることができる。

本発明の一実施形態にかかる光信号処理装置の全体構成を示す図である。本実施形態にかかる光信号処理装置の入力部の構成を示す図である。本実施形態にかかる光信号処理装置のリザーバ部の構成を示す図である。本実施形態にかかる光信号処理装置の出力部の構成を示す図である。波長多重と時間多重を併用する光信号処理装置を説明するための図である。

　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

　図１に、本発明の一実施形態にかかる光信号処理装置の全体構成を示す。光信号処理装置は、入力された一次元信号により線形処理を行って、多波長の光信号に変換する入力部１１と、入力部１１の出力に接続され、多波長信号に対してランダムな線形処理と非線形処理とを行うリザーバ部１２と、リザーバ部１２の出力に接続され、光信号を電気信号に変換して、線形処理を行って一次元出力を出力する出力部１３とを備えている。

　本実施形態の光信号処理装置は、ノードを時間軸方向へ展開する代わりに、波長方向へ展開することによって、光ＲＣのスループットを向上させる。

　　［入力部］
　図２に、本実施形態にかかる光信号処理装置の入力部の構成を示す。入力部１１は、多波長光信号をリザーバ部１２へ伝搬させる機能を有する。入力部１１は、多波長光源１１１と、多波長光源１１１からの光信号を変調用の電気信号で変調する時間変調部１１２と、時間変調部１１２の出力に対して、各波長ごとに重み付けを行う信号変調部１１３とを含む。

　多波長光源１１１として、ＡＳＥ光源、広帯域光源、複数台の単波長光源などを用いることができる。ＡＳＥ光源を用いる場合、強度情報のみを使用するため、比較的安定に動作させることができる。広帯域光源を用いる場合、強度情報と位相情報の両方使用するため、情報量を２倍以上にすることができる。複数台の単波長光源を用いる場合、各波長毎に強度情報と位相情報とを調整して使用することができる。

　入力部１１は、式（１）に示す処理を実行する。

　時系列信号のタスクｕ（λ，ｔ）に重みｗ_in（λ）を積算して、リザーバ部１２への入力信号ｘ_in（λ，ｔ）を生成する。この重みｗ_in（λ）は、光ＲＣの訓練を実行する前に予め与えられる値であり、訓練およびテストを通して値が変更されることは無い。

　時系列信号のタスクｕ（λ，ｔ）は、光源１１１に接続された時間変調部１１２を通過することで生成される（図２の波形例Ａ）。一次元入力信号である変調用の電気信号は、パソコンやＦＰＧＡ等から入力される。パソコンを用いる場合、データを容易に書き換えることが可能である。ＦＰＧＡを用いる場合、高速な電気信号を入力することができる。時間変調部１１２として、ＬＮ変調器などの光減衰器、半導体光増幅器などの光増幅器を用いることができる。光減衰器を使用する場合、高速に変調することができるため、演算時間を短くすることができる。光増幅器を使用する場合、信号を増幅することができるため、損失による演算能力の低下を抑えることができる。

　時系列信号のタスクｕ（λ，ｔ）は、信号変調部１１３へ入力され、波長ごとに重みｗ_in（λ）が乗算される（図２の波形例Ｂ）。信号変調部１１３として、波長選択スイッチやＭＥＭＳ等を用いることができる。波長選択スイッチとは、回折格子と空間光変調器で構成された装置であって、各波長に対して任意に位相や強度を変調することができる装置である。波長選択スイッチを使用する場合、低消費電力で動作させることができる。ＭＥＭＳを使用する場合、消光比を高くして演算性能を上げることができる。

　　［リザーバ部］
　図３に、本実施形態にかかる光信号処理装置のリザーバ部の構成を示す。リザーバ部１２は、時刻ｔにおいて入力部１１から伝搬された一次元信号と時刻ｔ－１においてリザーバ部１２を周回していた一次元信号を合流部１２１で結合した後、分岐部１２２において処理結果の一部を出力部１３へ、残りをリザーバ部１２へ分岐させる機能を有する。入力部１１からの光信号と、多波長光源からの光信号と変調用の電気信号がリザーバ部へ入力されることによって、様々な状態を表現する多波長光信号を生成する。

　リザーバ部１２は、式（２）に示す処理を実行する。

　時刻ｔ－１における入力部１１からの入力ｘ_in（λ，ｔ－１）に重みｗ_re（λ）が乗算され、波長方向の信号を積算する。波長方向に重み付けされた信号Ω（λ）に対して、ｃｏｓ²関数の変調を行う。最後に、時刻ｔにおける入力部１１からの入力ｘ_in（λ，ｔ）を加算することにより、時刻ｔにおけるリザーバ部１２の状態ｘ_re（λ，ｔ）を生成する。ここで、重みｗ_re（λ）および信号Ω（λ）は光ＲＣの訓練を実行する前に予め与えられる値であり、訓練およびテストを通して値が変更されることは無い。なお、φは後述する時間変調部におけるバイアスである。

　リザーバ部１２への第１の入力として、時刻ｔ－１に入力された入力部１１からの入力ｘ_in（λ，ｔ－１）は、合流部１２１と分岐部１２２を通過して、信号変調部１２３へ入力される。信号変調部１２３では、各波長に対する重みｗ_re（λ）が乗算される。信号変調部１２３として、波長選択スイッチやＭＥＭＳ等を用いることができる。波長選択スイッチを使用する場合、低消費電力で動作させることができる。ＭＥＭＳを使用する場合、消光比を高くして演算性能を上げることができる。

　信号変調部１２３を通過した光信号は、受光部１２４で電気信号へ変換される。ここで、波長ごとに受光部を設けるのではなく、１つの受光部で重み付けされた多波長信号を受光する。受光部１２３から出力される電気信号は、波長方向の情報を失うため、あたかも波長方向の信号に対して加算したような計算を実行することができる。

　一方、多波長光源１２５から入力された信号光は、信号変調部１２６へ入力される。多波長光源１２５として、ＡＳＥ光源、広帯域光源、複数台の単波長光源などを用いることができる。ＡＳＥ光源を用いる場合、強度情報のみを使用するため比較的安定に動作させることができる。広帯域光源を用いる場合、強度情報と位相情報を両方使用するため、情報量を２倍以上にすることができる。複数台の単波長光源を用いる場合、各波長毎に強度情報と位相情報を調整して使用することができる。

　信号変調部１２６では、各波長に対する重みΩ（λ）が積算される。変調用の電気信号は、パソコンやＦＰＧＡ等から入力される。パソコンを用いる場合、データを容易に書き換えることが可能である。ＦＰＧＡを用いる場合、高速な電気信号を入力することができる。信号変調部１２６として、波長選択スイッチやＭＥＭＳ等を用いることができる。波長選択スイッチを使用する場合、低消費電力で動作させることができる。ＭＥＭＳを使用する場合、消光比を高くして演算性能を上げることができる。

　重み付けされた信号光Ω（λ）および受光部１２４で変換された電気信号は、時間変調部１２７へ入力され、変調された信号を新たに生成する。時間変調部１２７として、ＬＮ変調器などの光減衰器、半導体光増幅器などの光増幅器を用いることができる。光減衰器を使用する場合、高速に変調することができるため、演算時間を短くすることができる。光増幅器を使用する場合、信号を増幅することができるため、損失による演算能力の低下を抑えることができる。

　時間変調部１２７を通過した信号光は、リザーバ部１２への第２の入力として合流部１２１へ入力され、時刻ｔにおける入力部からの入力ｘ_in（λ，ｔ）と加算される。合流部１２１として、ビームスプリッタなどの空間光学系、光カプラなどのファイバ光学系、ＰＬＣなどの平面光学系を用いることができる。空間光学系を使用する場合、光の偏光が変化し難いため、演算性能を高めることができる。ファイバ光学系を使用する場合、光ファイバの接続を変更することによって、装置の構成を比較的容易に変更することができる。平面光学系を使用する場合、光部品のロスを抑えることができるため、演算性能を高めることができる。

　合流部１２２を通過した信号光ｘ_re（λ，ｔ）は、分岐部１２２へ入力され、リザーバ部１２と出力部１３の二経路へ分岐される。分岐部１２２として、ビームスプリッタなどの空間光学系、光カプラなどのファイバ光学系、ＰＬＣなどの平面光学系等を用いることができる。空間光学系を使用する場合、光の偏光が変化し難いため、演算性能を高めることができる。ファイバ光学系を使用する場合、光ファイバの接続を変更することによって、装置の構成を比較的容易に変更することができる。平面光学系を使用する場合、光部品のロスを抑えることができるため、演算性能を高めることができる。

　　［出力部］
　図４に、本実施形態にかかる光信号処理装置の出力部の構成を示す。出力部１３は、リザーバ部１２より出力された多波長信号を積和演算して、一次元出力を生成する。出力部１３は、リザーバ部１２より出力された多波長信号を変調用の電気信号で変調する信号変調部１３１と、信号変調部１３１の出力を電気信号に変換する受光部１３２とを含む。変調用の電気信号は、パソコンやＦＰＧＡ等から入力される。パソコンを用いる場合、データを容易に書き換えることが可能である。ＦＰＧＡを用いる場合、高速な電気信号を入力することができる。

　出力部１３は、式（３）に示す処理を実行する。

　時刻ｔにおけるリザーバ部１２からの入力ｘ_re（λ，ｔ）に対して、重みｗ_out（λ）を乗算し、波長方向のデータを加算することにより出力信号を生成する。ここで、重みｗ_out（λ）は可変変数である。重みｗ_out（λ）は、リザーバ部１２の状態ｘ_re（λ，ｔ）に対して望ましい状態Ｔ（ｔ）を出力するようにペンローズの擬似逆行列に従って求められる。誤差逆伝搬法に比べ、重みの更新を繰り返す必要が無いため、高速に演算することができる。重みｗ_out（λ）の演算は、パソコンやＦＰＧＡ等で実行される。パソコンを使用する場合、計算途中の状態をモニタしやすい。ＦＰＧＡを使用する場合、高速に演算することができる。

　時刻ｔにおいてリザーバ部１２からの入力された信号ｘ_re（λ，ｔ）は、信号変調部１３１へ入力される。信号変調部１３１では、各波長に対する重みｗ_out（λ）が乗算される。信号変調部１３１として、波長選択スイッチやＭＥＭＳ等を用いることができる。波長選択スイッチを使用する場合、低消費電力で動作させることができる。ＭＥＭＳを使用する場合、消光比を高くして演算性能を上げることができる。

　信号変調部１３１を通過した光信号は、受光部１３２へ入力され、電気信号へ変換される。ここで、波長ごとに受光部を設けるのではなく、１つの受光部で重み付けされた多波長信号を受光する。受光部１３２から出力される電気信号では波長方向の情報を失うため、あたかも波長方向の信号に対して加算したような計算を実行することができる。

　本実施形態の光信号処理装置の演算時間は、およそ「光パルスの変調速度×タスクのデータ数×（ノード数÷波長多重数）」で決まる。（）内の値は、時間方向に展開されるノード数を示している。従来の光ＲＣでは波長多重数が１であったため、全てのノードが時間軸上に展開されていた。本実施形態においては、波長を多重する分だけ時間軸上に展開するノード数を減らすことができる。これは、従来の光ＲＣに対して波長多重数分の１だけスループットが向上することを示している。

　以上で述べたように、本実施形態によれば、ノードを時間軸方向へ展開する代わりに、波長方向へ展開する光ＲＣを作製することによって、リザーバ層のノード数を増加させることなく、光ＲＣのスループットを向上させることができる。

　　［波長多重と時間多重の併用］
　なお、ノードを波長方向へ展開すると同時に、時間軸方向へ展開して、ノード数が波長数より多い場合であっても、より光ＲＣのスループットを向上させることもできる。

　図５を参照して、波長多重と時間多重を併用する光信号処理装置を説明する。図５（ａ）は、上述した本実施形態の入力部１１で生成された波形例Ｂであり、ノードを波長方向に（Ｍ倍）展開したことを示している。図５（ｂ）は、ノードを時間軸方向へ（Ｎ倍）展開したことを示している。一次元入力信号を、パルスごとに時間軸方向にＮ倍引き伸ばした時系列信号を生成し、引き伸ばした時系列信号に対して、予め与えられた重みを乗算している。

　図５（ｃ）は、ノードを波長方向と時間軸方向とに展開したことを示しており、ＭｘＮ倍のノード数に相当し、ノード数が波長数より多い場合であっても、光ＲＣのスループットを向上させることができる。

　１１　入力部
　１２　リザーバ部
　１３　出力部
　１１１，１２５　光源
　１１２，１２７　時間変調部
　１１３，１２３，１２６，１３１　信号変調部
　１２１　合流部
　１２２　分岐部
　１２４，１３２　受光部

Claims

　入力された一次元信号を光信号に変換して信号処理を行う光信号処理装置であって、
　前記入力された一次元信号により線形処理を行って、多波長の光信号に変換する入力部と、
　前記入力部の出力に接続され、前記光信号に対して線形処理と非線形処理とを行うリザーバ部と、
　前記リザーバ部の出力に接続され、前記光信号を電気信号に変換して、線形処理を行って一次元出力を出力する出力部と
　を備えたことを特徴とする光信号処理装置。
　前記入力部は、
　第１の多波長光源と、
　前記第１の多波長光源に接続され、前記入力された一次元信号によりタスクを生成する第１の時間変調部と、
　前記第１の時間変調部に接続され、入力された多波長の光信号の各波長ごとに重み付けする第１の信号変調部と
　を含むことを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
　前記第１の多波長光源は、ＡＳＥ光源、広帯域光源、または複数台の単波長光源から出射した光を合波して出力する光源であることを特徴とする請求項２に記載の光信号処理装置。
　前記リザーバ部は、
　時刻ｔに前記入力部から伝搬された光信号と時刻ｔ－１に前記リザーバ部を周回していた光信号とを結合する合流部と、
　結合された光信号を前記リザーバ部と前記出力部とに分岐する分岐部と、
　前記分岐部において前記リザーバ部へ分岐された光信号の各波長ごとに重み付けする第２の信号変調部と、
　前記第２の信号変調部に接続され、重み付けされた光信号を受光して電気信号へ変換する第１の受光部と、
　第２の多波長光源と、
　前記第２の多波長光源に接続され、入力された多波長の光信号の各波長ごとに重み付けする第３の信号変調部と、
　前記第１の受光部からの前記電気信号に従って、前記第３の信号変調部からの光信号を変調し、前記合流部に出力する第２の時間変調部と
　を含むことを特徴とする請求項２または３に記載の光信号処理装置。
　前記第２の多波長光源は、ＡＳＥ光源、広帯域光源、または複数台の単波長光源から出射した光を合波して出力する光源であることを特徴とする請求項４に記載の光信号処理装置。
　前記出力部は、
　前記分岐部において前記出力部へ分岐された光信号の各波長ごとに重み付けする第４の信号変調部と、
　前記第４の信号変調部からの光信号を電気信号へ変換する第２の受光部と
　を含むことを特徴とする請求項４または５に記載の光信号処理装置。