一种基于级联VCSELs光子神经的模式识别装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于级联VCSELs光子神经的模式识别装置及方法，该方法包括：步骤1：输出脉冲序列的波形；步骤2：利用步骤1得到的波形对可调激光器产生的连续波进行调制，以得到光学脉冲序列；步骤3：将所述光学脉冲序列信号分成三路，该三路信号分别注入到神经网络三个级联的VCSELs光子神经元；步骤4：采集各神经元输出的信号，并利用计算机进行处理运算，并根据运算的结果调节控制输入神经元的脉冲信号，以实现脉冲序列的模式识别。本发明专利技术通过三个级联的VCSELs光子神经元构成可实现脉冲序列识别的光子神经网络。

【技术实现步骤摘要】
一种基于级联VCSELs光子神经的模式识别装置及方法
本专利技术涉及信息处理
，尤其涉及一种基于级联VCSELs光子神经的模式识别装置及方法。
技术介绍
人类大脑中有约1000亿个神经元，且每个神经元都至少与10000个突触相连。大脑的计算能力达到了1020MAC/s(MAC代表乘加操作，它与计算机的浮点计算FLOP相似，但更适合于数字信号处理器)，且其能耗仅仅为2×10-10nJ/MAC，而目前世界上最快的超计算机的能耗达到1nJ/FLOP，可见，人类大脑拥有非常强大的计算能力。因此，探索大脑神经的活动机理，合理利用它复杂的信息处理能力是人们一直关注的热点问题。随之兴起的人工神经网络已经逐步成为人工智能领域的研究热点。目前，欧、美、日、韩、中国等国已经正式将人工智能上升为国家战略，并已经取得了一系列突破性研究成果。如：华为昇腾系列AI芯片、IBM公司的TrueNorth、斯坦福大学的Neurogrid、曼彻斯特大学的Neuromorphic芯片等等。这些具有里程碑意义的工作已经证实了人工神经网络技术的巨大潜力，并大大推动了未来信息处理器件的发展。然而，这些人工神经网络模型主要聚焦在电学的实现方式，如CMOS模拟电路、neurosynaptic数字芯片和现代超大集成电路(VLSI)等。虽然这些仿神经技术能有效处理生物神经的部分活动行为，但基于电学方式的仿神经系统在实际应用中会受到带宽、距离、功耗等限制。近年来，基于半导体激光器的光子神经模型因可产生比生物神经高达8个量级的超快脉冲响应，且能突破电子器件带宽的限制，大大降低系统能耗而备受关注。特别的是，VCSELs具有低成本、低能耗、易于集成到二维/三维阵列、与光纤高的耦合效率、与现有光纤系统兼容等一些独特的优势，因而基于VCSELs的光子神经模型近年来受到了广泛的关注。英国思克莱德大学Hurtado团队、法国尼斯大学的Barland团队、美国普林斯顿的Prucnal团队以及国内的北京交通大学、西安电子科技大学、西南大学等团队也在基于VCSELs光子神经的spiking动力学方面开展了大量的工作。然而，目前相关的研究主要聚焦于单个或者两个VCSELs光子神经的spiking动力学行为，基于VCSELs光子神经组网实现模式识别的研究还处于起步阶段。显然，研究基于VCSELs光子神经的脉冲动力学特性及其应用于模式识别等领域具有较大的实际应用价值。此外，目前实现脉冲序列识别的方式大多基于电学实现方式，而光学方式很少。而且目前基于VCSELs光子神经的研究主要聚焦于单个神经元基本功能特性的研究，在人工智能的相关实际应用场景方面的研究不多，而这显然不满足实际需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种巧妙地将三个VCSELs神经元进行级联，利用神经元响应阈值的变化将VCSELs光子神经的优势应用到脉冲序列的模式识别方法和装置。一种基于级联VCSELs光子神经的模式识别装置，包括：能够产生脉冲序列的任意波形发生器，从任意波形发生器输出的信号经马赫-曾德尔调制器调制由可调激光器产生的连续波以得到光学脉冲序列，从所述马赫-曾德尔调制器输出的信号被分成三路，该三路信号分别无延时的注入到三个级联VCSELs光子神经元，各神经元输出的信号经光电探测器PD转换成电信号后输入示波器OSC，采集所述示波器的信号并利用计算机进行处理运算，根据运算的结果调节控制输入神经元的脉冲信号，以使其实现脉冲序列的模式识别；所述三个级联VCSELs光子神经元包括神经元1、神经元2、神经元3；神经元1和神经元2之间的时延为τ12；神经元2和神经元3之间的时延为τ23，神经元1到神经元3之间的时延为τ13；τ13＝τ12+τ23。进一步地，如上所述的基于级联VCSELs光子神经的模式识别装置，所述三路信号包括神经元一路、神经元二路、神经元三路；所述神经元一路为：从调制器MZM输出的信号经耦合器FC1后分成两路，其中一路信号经耦合器FC2后分成两部分，一部分经偏振控制器PC3、可调衰减器VA3、光纤延迟线DL3及光纤环形器OC1后进入到VCSEL1；所述神经元二路由两路组成；其中一路为：经所述耦合器FC1分成的一部分信号经耦合器FC2后再次分成两部分，其中一部分经偏振控制器PC2、可调衰减器VA2、光纤延迟线DL2及耦合器FC4后进入到VCSEL2；另一路为：从所述光纤环形器OC1输出的信号经耦合器FC3分成两部分，其中一部分经偏振控制器PC4、可调衰减器VA4、光纤延迟线DL4及所述耦合器FC4后进入到VCSEL2；所述神经元三路由三路组成；其中第1路为：经所述耦合器FC1后分成的另一路经偏振控制器PC1、可调衰减器VA1、光纤延迟线DL1、耦合器FC7、光纤环形器OC2后进入到VCSEL3；第2路为：从所述VCSEL2输出的信号经耦合器FC5、偏振控制器PC5、可调衰减器VA5、光纤延迟线DL5、耦合器FC6、所述耦合器FC7、所述光纤环形器OC2后进入到VCSEL3；第3路为：从所述耦合器FC3分出的另一路信号经耦合器FC8、偏振控制器PC6、可调衰减器VA6、光纤延迟线DL6后，也输入所述耦合器FC6，从所述耦合器FC6输出的信号经所述耦合器FC7、所述光纤环形器OC2后进入到VCSEL3。进一步地，如上所述的基于级联VCSELs光子神经的模式识别装置，耦合器FC1的信号分成比例为3:7，其中30％的输出信号经偏振控制器PC1；70％的输出信号经耦合器FC2；所述耦合器FC2、耦合器FC3、耦合器FC4、耦合器FC6、耦合器FC7的信号分成比例为5:5。进一步地，如上所述的基于级联VCSELs光子神经的模式识别装置，从所述神经元1、神经元2、神经元3输出的信号分别通过PD1、PD2、PD3将其信号转换成电信号；所述PD1的输入信号来自于所述耦合器FC8分出的一部分信号；所述PD2的输入信号来自于所述耦合器FC5分出的一部分信号；所述PD3的输入信号来自于所述光纤环形器OC2输出的信号。进一步地，如上所述的基于级联VCSELs光子神经的模式识别装置，所述耦合器FC8、耦合器FC5的信号分成比例为90:10；其中10％的信号输入PD1和PD2。本专利技术还提供一种基于级联VCSELs光子神经的模式识别方法，包括以下步骤：步骤1：输出脉冲序列的波形；步骤2：利用步骤1得到的波形对可调激光器产生的连续波进行调制，以得到光学脉冲序列；步骤3：将所述光学脉冲序列信号分成三路，该三路信号分别注入到神经网络三个级联的VCSELs光子神经元；所述神经网络三个级联的VCSELs光子神经元包括神经元1、神经元2、神经元3；神经元1和神经元2之间的时延为τ12；神经元2和神经元3之间的时延为τ23，神经元1到神经元3之间的时延为τ13；τ13＝τ12+τ23；步骤4：采集各神经元输出的信号，并利用计算机进行处理运算，并根据运算的结果调节控制输入各神经元的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于级联VCSELs光子神经的模式识别装置，其特征在于，包括：能够产生脉冲序列的任意波形发生器，从任意波形发生器输出的信号经马赫-曾德尔调制器调制由可调激光器产生的连续波以得到光学脉冲序列，从所述马赫-曾德尔调制器输出的信号被分成三路，该三路信号分别无延时的注入到三个级联VCSELs光子神经元，各神经元输出的信号经光电探测器PD转换成电信号后输入示波器OSC，采集所述示波器的信号并利用计算机进行处理运算，根据运算的结果调节控制输入神经元的脉冲信号，以使其实现脉冲序列的模式识别；/n所述三个级联VCSELs光子神经元包括神经元1、神经元2、神经元3；神经元1和神经元2之间的时延为τ12；神经元2和神经元3之间的时延为τ23，神经元1到神经元3之间的时延为τ13；τ13＝τ12+τ23。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于级联VCSELs光子神经的模式识别装置，其特征在于，包括：能够产生脉冲序列的任意波形发生器，从任意波形发生器输出的信号经马赫-曾德尔调制器调制由可调激光器产生的连续波以得到光学脉冲序列，从所述马赫-曾德尔调制器输出的信号被分成三路，该三路信号分别无延时的注入到三个级联VCSELs光子神经元，各神经元输出的信号经光电探测器PD转换成电信号后输入示波器OSC，采集所述示波器的信号并利用计算机进行处理运算，根据运算的结果调节控制输入神经元的脉冲信号，以使其实现脉冲序列的模式识别；
所述三个级联VCSELs光子神经元包括神经元1、神经元2、神经元3；神经元1和神经元2之间的时延为τ12；神经元2和神经元3之间的时延为τ23，神经元1到神经元3之间的时延为τ13；τ13＝τ12+τ23。


2.根据权利要求1所述的基于级联VCSELs光子神经的模式识别装置，其特征在于，所述三路信号包括神经元一路、神经元二路、神经元三路；
所述神经元一路为：从调制器MZM输出的信号经耦合器FC1后分成两路，其中一路信号经耦合器FC2后分成两部分，一部分经偏振控制器PC3、可调衰减器VA3、光纤延迟线DL3及光纤环形器OC1后进入到VCSEL1；
所述神经元二路由两路组成；其中一路为：经所述耦合器FC1分成的一部分信号经耦合器FC2后再次分成两部分，其中一部分经偏振控制器PC2、可调衰减器VA2、光纤延迟线DL2及耦合器FC4后进入到VCSEL2；
另一路为：从所述光纤环形器OC1输出的信号经耦合器FC3分成两部分，其中一部分经偏振控制器PC4、可调衰减器VA4、光纤延迟线DL4及所述耦合器FC4后进入到VCSEL2；
所述神经元三路由三路组成；其中第1路为：经所述耦合器FC1后分成的另一路经偏振控制器PC1、可调衰减器VA1、光纤延迟线DL1、耦合器FC7、光纤环形器OC2后进入到VCSEL3；
第2路为：从所述VCSEL2输出的信号经耦合器FC5、偏振控制器PC5、可调衰减器VA5、光纤延迟线DL5、耦合器FC6、所述耦合器FC7、所述光纤环形器OC2后进入到VCSEL3；
第3路为：从所述耦合器FC3分出的另一路信号经耦合器FC8、偏振控制器PC6、可调衰减器VA6、光纤延迟线DL6后，也输入所述耦合器FC6，从所述耦合器FC6输出的信号经所述耦合器FC7、所述光纤环形器OC...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓涛，高子叶，唐曦，林晓东，吴正茂，夏光琼，田涛，倪敏，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50