模拟生物神经元动力学以实现逻辑运算的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种模拟生物神经元动力学以实现逻辑运算的系统及方法，所述模拟生物神经元动力学以实现逻辑运算的系统包括：输入模块、电耦合模块、激光响应模块和输出模块。本发明专利技术模拟生物神经元动力学以实现逻辑运算的系统基于法诺激光器，一方面相对于传统激光器具有更加稳定的特性，这导致通过电信号调制注入技术可使得所模拟的神经元兴奋性更加稳定，不会产生不必要的弛豫振荡现象，进而提高了信息处理的速度。同时，在避免额外的光注入的基础上，实现了结构的简易化，尤其是在实现复杂任务的大型神经网络中。其次，法诺激光器具有极小的体积和极低的能耗，以及更快的速度，且结构简单、成本低易于操控。成本低易于操控。成本低易于操控。

【技术实现步骤摘要】
模拟生物神经元动力学以实现逻辑运算的系统及方法


[0001]本专利技术涉及神经形态光子计算和尖峰神经网络领域，特别涉及一种模拟生物神经元动力学以实现逻辑运算的系统及方法。

技术介绍

[0002]神经形态计算主要从信息处理角度对人脑神经元进行抽象，通过建立相应的神经计算模型和系统来模拟生物大脑神经网络处理、记忆信息的方式进行信息处理。尖峰神经网络在接受到外部刺激达到阈值时会以峰值的形式做出反应类似全由全无机制也称为兴奋性，其响应的稀疏的尖峰序列包含着外部刺激的时间以及强度信息即其以尖峰传递信息，尖峰神经网络这种编码方式是通过模拟大脑的结构和功能实现对信息的处理实现的，因此而引起了广泛的关注。
[0003]半导体激光器作为一种典型的可兴奋器件，具有结构简单、操作方便、易于集成等优点，其在外部扰动下可以实现兴奋性输出，其中包括光反馈、电流调制、光注入、相互耦合等。
[0004]近年来，随着光子技术的发展，研究人员开始更多的关注于通过使用半导体激光器等光子器件来实现尖峰神经网络，从而解决电子实现在速度、能耗、带宽、并行以及效率瓶颈方面的问题。如：基于光注入垂直腔面发射激光器(Vertical
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Cavity Surface
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Emitting Laser VCSEL)模拟神经元动力学以及实现二值卷积的相关示例(参见[Y.Zhang,J.Robertson,S.Xiang,M.Hejda,J.Bueno,and A.Hurtado,“All
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optical neuromorphic binary convolution with a spiking VCSEL neuron for image gradient magnitudes”Photonics Research 9(15),B201(2021).])；基于带饱和吸收体的垂直腔面发射激光器实现声音方位探测(参见[Z.W.Song,S.Y.Xiang,Z.X.Ren,S.H.Wang,A.J.Wen,and Y.Hao,“Photonic spiking neural network based on excitable VCSELs
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SA for sound azimuth detection”Optics Express 28(2),1561
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1573(2020).]。这些方案都是利用光注入半导体激光器的丰富动力学来实现对生物神经元动力学的模拟，然而一般情况下这些激光器在光注入所产生的兴奋性响应中会出现不必要的弛豫振荡现象，这极大地降低了信息处理的速度，同时因为光注入的引入必然也会导致系统结构复杂性的提高，尤其是在大型网络结构中，这将会导致系统体积增大，能耗增高，效率降低。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是提供一种能耗小、效率高的模拟生物神经元动力学以实现逻辑运算的系统。
[0006]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种模拟生物神经元动力学以实现逻辑运算的系统，其包括：
[0007]输入模块，用于产生两路任意比特强度占空比可调谐的矩形输入电信号，以模拟生物神经元的刺激信号；
[0008]电耦合模块，与所述输入模块连接，所述电耦合模块用于将所述两路任意比特强度占空比可调谐的矩形输入电信号耦合成一路电信号，以模拟生物神经元中的细胞体的作用；
[0009]激光响应模块，包括法诺激光器，所述法诺激光器的输入端与所述电耦合模块的输出端连接，所述法诺激光器用于对耦合后的电信号做出相应的激光响应，以模拟生物神经元对刺激做出反应的现象；
[0010]输出模块，包括光电探测器和示波器，所述示波器通过所述光电探测器与法诺激光器连接，以将所述法诺激光器做出的激光响应以时序形式展现；
[0011]通过控制输入电信号的强度来调控工作区域，使得逻辑运算的结果在激光响应中以尖峰的形式表现。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述输入模块包括第一任意波形发生器和第二任意波形发生器，用于分别产生一路任意比特强度占空比可调谐的矩形输入电信号。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，所述电耦合模块包括两个输入端和一个输出端，所述电耦合模块的两个输入端分别与所述第一任意波形发生器和第二任意波形发生器的输出端连接，所述电耦合模块耦合后的电信号加载至所述法诺激光器，以对所述法诺激光器进行调制。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，所述电耦合模块为电耦合器。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，所述输出模块还包括光谱分析仪，所述光谱分析仪与法诺激光器连接，用于展示生物神经元的响应结果。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，所述输出模块还包括光耦合模块，所述法诺激光器输出的光信号通过所述光耦合模块分成两路，一路光信号通过所述光电探测器进入示波器，另一路光信号进入所述光谱分析仪。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，所述光耦合模块为光耦合器。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，还包括温控模块，与所述法诺激光器连接以调节所述法诺激光器的运行温度。
[0019]本专利技术还提供了一种模拟生物神经元动力学以实现逻辑运算的方法，应用于上述任一所述的模拟生物神经元动力学以实现逻辑运算的系统，其包括以下步骤：
[0020]通过所述输入模块产生两路任意比特强度占空比可调谐的矩形输入电信号，以模拟生物神经元的刺激信号；
[0021]通过所述电耦合模块将所述两路任意比特强度占空比可调谐的矩形输入电信号耦合成一路电信号，以模拟生物神经元中的细胞体的作用；
[0022]通过所述法诺激光器对耦合后的电信号做出相应的激光响应，以模拟生物神经元对刺激做出反应的现象；
[0023]通过示波器将所述法诺激光器做出的激光响应以时序形式展现；
[0024]通过控制输入电信号的强度来调控工作区域，使得逻辑运算的结果在激光响应中以尖峰的形式表现。
[0025]作为本专利技术的进一步改进，所述通过控制输入电信号的强度来调控工作区域，包括：
[0026]通过控制输入比特“1”的信号表示强度，控制工作区域为“OR”或者“AND”，当表示
输入比特“1”的信号强度小于1/2阈值强度大小时为“AND”工作区域，当表示输入比特“1”的信号强度高于1/2阈值强度大小时工作在“OR”区域。
[0027]本专利技术的有益效果：
[0028]本专利技术模拟生物神经元动力学以实现逻辑运算的系统基于法诺激光器，一方面相对于传统激光器具有更加稳定的特性，这导致通过电信号调制注入技术可使得所模拟的神经元兴奋性更加稳定，不会产生不必要的弛豫振荡现象，进而提高了信息处理的速度。
[0029]同时，在避免额外的光注入的基础上，实现了结构的简易化，尤其是在实现复杂任务的大型神经网络中。
[0030]其次，法诺激光器具有极小的体积和极低的能耗，以及更快的速度，且结构简单、成本低易于操控。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.模拟生物神经元动力学以实现逻辑运算的系统，其特征在于，包括：输入模块，用于产生两路任意比特强度占空比可调谐的矩形输入电信号，以模拟生物神经元的刺激信号；电耦合模块，与所述输入模块连接，所述电耦合模块用于将所述两路任意比特强度占空比可调谐的矩形输入电信号耦合成一路电信号，以模拟生物神经元中的细胞体的作用；激光响应模块，包括法诺激光器，所述法诺激光器的输入端与所述电耦合模块的输出端连接，所述法诺激光器用于对耦合后的电信号做出相应的激光响应，以模拟生物神经元对刺激做出反应的现象；输出模块，包括光电探测器和示波器，所述示波器通过所述光电探测器与法诺激光器连接，以将所述法诺激光器做出的激光响应以时序形式展现；通过控制输入电信号的强度来调控工作区域，使得逻辑运算的结果在激光响应中以尖峰的形式表现。2.如权利要求1所述的模拟生物神经元动力学以实现逻辑运算的系统，其特征在于，所述输入模块包括第一任意波形发生器和第二任意波形发生器，用于分别产生一路任意比特强度占空比可调谐的矩形输入电信号。3.如权利要求2所述的模拟生物神经元动力学以实现逻辑运算的系统，其特征在于，所述电耦合模块包括两个输入端和一个输出端，所述电耦合模块的两个输入端分别与所述第一任意波形发生器和第二任意波形发生器的输出端连接，所述电耦合模块耦合后的电信号加载至所述法诺激光器，以对所述法诺激光器进行调制。4.如权利要求3所述的模拟生物神经元动力学以实现逻辑运算的系统，其特征在于，所述电耦合模块为电耦合器。5.如权利要求1所述的模拟生物神经元动力学以实现逻辑运算的系统，其特征在于，所述输出模块还包括光谱分析仪，所述光谱分析仪与法诺激光器连接，用于展示生物神经元的响应结果。6.如权利要求5所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李念强，陈太一，周沛，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：