一种交叉阵列的光子突触权重矩阵装置及其权重调整方法

技术领域

本发明涉及人工智能神经网络领域，具体为交叉阵列的光子突触权重矩阵装置及其权重调整方法。

背景技术

在大数据时代，人们提出人工智能神经网络，该人工智能神经网络能够模拟人脑的神经形态运算，将人脑的智能行为在计算机端抽象成人工神经的信息处理过程，并对大量数据进行分析和推理，进而获得准确的结果。

随着技术的发展，基于光域，人们研究采用相变材料(Phase Change Materials,PCM)和微环谐振器(Microring Resonator,MRR)做突触权重矩阵，以实现人工智能神经网络。

然而，在光域中，现有技术采用的PCM速度相对较慢，导致现有的人工智能神经网络的数据处理的速度较慢。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供交叉阵列的光子突触权重矩阵装置及其权重调整方法，提高人工智能神经网络的数据处理的速度。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一方面的，本发明实施提供一种交叉阵列的光子突触权重矩阵装置，包括：

可调谐光源和电光调制器，用于获取至少两路光电信号，所述两路光电信号包括：第一光电信号和第二光电信号；

与所述可调谐光源和电光调制器连接的光子突触交叉阵列，用于分别对所述两路光电信号的脉冲强度进行调整，获得调整后的光电输出信号。

进一步的，包括：第一光纤耦合器和第二光纤耦合器；

所述可调谐光源和电光调制器至少包括第一通道和第二通道；

与所述第一通道连接的所述第一光纤耦合器，用于将所述第一通道的所述第一光电信号进行分路处理，获得第一路光电信号和第二路光电信号；

与所述第二通道连接的所述第二光纤耦合器，用于将所述第二通道的所述第二光电信号进行分路处理，获得第三路光电信号和第四路光电信号。

进一步的，所述光子突触交叉阵列至少包括第一垂直腔面半导体发射激光器VCSEL、第二VCSEL、第三VCSEL、第四VCSEL；

所述第一VCSEL用于接收所述第一路光电信号，并对所述第一路光电信号的脉冲强度进行调整，获得第一路光电输出信号；

所述第二VCSEL用于接收所述第二路光电信号，并对所述第二路光电信号的脉冲强度进行调整，获得第二路光电输出信号；

所述第三VCSEL用于接收所述第三路光电信号，并对所述第三路光电信号的脉冲强度进行调整，获得第三路光电输出信号；

所述第四VCSEL用于接收所述第四路光电信号，并对所述第四路光电信号的脉冲强度进行调整，获得第四路光电输出信号。

进一步的，还包括：波形发生器AWG，用于与第一VCSEL、第二VCSEL、第三VCSEL、第四VCSEL分别连接，并对第一VCSEL、第二VCSEL、第三VCSEL、第四VCSEL外加偏置电流，分别对所述第一路光电信号、所述第二路光电信号、所述第三路光电信号、所述第四路光电信号的脉冲强度进行调整，以获得调整后的光电输出信号。

进一步的，还包括：

第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、第一光电探测器和第二光电探测器；

所述第三光纤耦合器分别与第一VCSEL和第三VCSEL连接，用于输出所述第三光纤耦合器耦合的第三耦合信号，所述第三耦合信号包括将第一路光电输出信号和第三路光电输出信号分别加权之后的和的信号，所述第一光电探测器探测第三耦合信号；

所述第四光纤耦合器分别与第二VCSEL和第四VCSEL连接，用于输出所述第四光纤耦合器耦合的第四耦合信号，所述第四耦合信号包括将第二路光电输出信号和第四路光电输出信号分别加权之后的和的信号，所述第二光电探测器探测第四耦合信号。

另一方面的，本发明实施提供一种基于交叉阵列的光子突触权重矩阵装置的光电信号权重调整方法，包括：

获取至少两路光电信号，所述两路光电信号包括：第一光电信号和第二光电信号；

分别对所述两路光电信号的脉冲强度进行调整，获得调整后的光电输出信号。

进一步的，所述获取至少两路光电信号，还包括：

将所述第一通道产生的所述第一光电信号进行分路处理，获得第一路光电信号和第二路光电信号；

将所述第二通道产生的所述第二光电信号进行分路处理，获得第三路光电信号和第四路光电信号。

进一步的，所述分别对所述两路光电信号的脉冲强度进行调整，获得调整后的光电输出信号，包括：

对所述第一路光电信号的脉冲强度进行调整，获得第一路光电输出信号；

对所述第二路光电信号的脉冲强度进行调整，获得第二路光电输出信号；

对所述第三路光电信号的脉冲强度进行调整，获得第三路光电输出信号；

对所述第四路光电信号的脉冲强度进行调整，获得第四路光电输出信号。

进一步的，所述分别对所述两路光电信号的脉冲强度进行调整，获得调整后的光电输出信号，还包括：

获取波形发生器AWG输出的偏置电流；

分别对所述第一路光电信号、所述第二路光电信号、所述第三路光电信号、所述第四路光电信号的脉冲强度进行调整；

获得调整后的光电输出信号。

进一步的，所述分别对所述两路光电信号的脉冲强度进行调整，获得调整后的光电输出信号，还包括：

输出第三光纤耦合器耦合的第三耦合信号，所述第三耦合信号包括将第一路光电输出信号和第三路光电输出信号分别加权之后的和的信号；

输出第四光纤耦合器耦合的第四耦合信号，所述第四耦合信号包括将第二路光电输出信号和第四路光电输出信号分别加权之后的和的信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明实施例提供一种基于交叉阵列的光子突触权重矩阵装置及其权重调整方法，该交叉阵列的光子突触权重矩阵装置包括：可调谐光源和电光调制器，用于获取至少两路光电信号，所述两路光电信号包括：第一光电信号和第二光电信号；与所述可调谐光源和电光调制器连接的光子突触交叉阵列，用于分别对所述两路光电信号的脉冲强度进行调整，获得调整后的光电输出信号。通过将光子突触交叉阵列对两路光电信号的脉冲强度进行调整，进而提高了人工智能神经网络的数据处理的速度。

附图说明

图1是本发明一实施例交叉阵列的光子突触权重矩阵装置的结构示意图；

图2是本发明另一实施例交叉阵列的光子突触权重矩阵装置的结构示意图；

图3是本发明一实施例2×2交叉阵列的光子突触权重矩阵装置的简易结构示意图；

图4是本发明再一实施例交叉阵列的光子突触权重矩阵装置的结构示意图；

图5是本发明一实施例基于交叉阵列的光子突触权重矩阵装置的光电信号权重调整方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1和图2所示，本发明实施例提供一种交叉阵列的光子突触权重矩阵装置，包括：

可调谐光源和电光调制器11，用于获取至少两路光电信号，所述两路光电信号包括：第一光电信号和第二光电信号；

与所述可调谐光源和电光调制器连接的光子突触交叉阵列12，用于分别对所述两路光电信号的脉冲强度进行调整，获得调整后的光电输出信号。

举例来讲，可调谐光源和电光调制器11与光子突触交叉阵列12之间设置有第一光纤耦合器和第二光纤耦合器；

所述可调谐光源和电光调制器11至少包括第一通道111和第二通道112；

与所述第一通道111连接的所述第一光纤耦合器131，用于将所述第一通道111产生的所述第一光电信号进行分路处理，获得第一路光电信号和第二路光电信号；

与所述第二通道112连接的所述第二光纤耦合器132，用于将所述第二通道的所述第二光电信号进行分路处理，获得第三路光电信号和第四路光电信号。

需要说明的，本实施例中，用偏置低于其激光阈值的垂直腔面半导体发射激光器VCSEL作为垂直腔半导体光放大器(vertical cavity semiconductor amplifier，简称VCSOA)工作，该放大器能够对150ps长、脉冲的峰值功率在1μW的光脉冲进行受控加权。由于VCSOA在受到外部光注入时有非线性增益特性，只需要改变静态或者动态的改变VCSOA的外加偏置电流，就可以实现亚纳秒的输入光脉冲的全重量可调性。基于VCSOA的突触不仅能够调节传入光脉冲的强度，还可以提供增益，即权重因子＞1。实验方案是基于关键通信波长1550nm下商用VCSEL和光纤组件搭建的，该方法与光网络和数据中心技术兼容。

具体的，所述光子突触交叉阵列12至少包括第一垂直腔面半导体发射激光器VCSEL121、第二VCSEL122、第三VCSEL123、第四VCSEL124；

所述第一VCSEL121用于接收所述第一路光电信号，并对所述第一路光电信号的脉冲强度进行调整，获得第一路光电输出信号；

所述第二VCSEL122用于接收所述第二路光电信号，并对所述第二路光电信号的脉冲强度进行调整，获得第二路光电输出信号；

所述第三VCSEL123用于接收所述第三路光电信号，并对所述第三路光电信号的脉冲强度进行调整，获得第三路光电输出信号；

所述第四VCSEL124用于接收所述第四路光电信号，并对所述第四路光电信号的脉冲强度进行调整，获得第四路光电输出信号。

本实施例的交叉阵列的光子突触权重矩阵装置，包括：可调谐光源和电光调制器，用于获取至少两路光电信号，所述两路光电信号包括：第一光电信号和第二光电信号；与所述可调谐光源和电光调制器连接的光子突触交叉阵列，用于分别对所述两路光电信号的脉冲强度进行调整，获得调整后的光电输出信号。通过将光子突触交叉阵列对两路光电信号的脉冲强度进行调整，进而提高了人工智能神经网络的数据处理的速度。

如图3和图4所示，本发明另一实施例还提供一种交叉阵列的光子突触权重矩阵装置，在上述实施例的基础上，包括：第一VCSEL、第二VCSEL、第三VCSEL和第四VCSEL分别对第一路光电信号、第二路光电信号、第三路光电信号和第四路光电信号的脉冲强度进行调整的方式至少包括2种实现方式。

第一种实现方式：静态调整；

采用各个VCSEL的固定偏置电流，实现采用固定的放大权重对各路光电信号进行的调整。

第二种实现方式：动态调整；

波形发生器AWG，用于与所述AWG连接的第一VCSEL、第二VCSEL、第三VCSEL、第四VCSEL，并对第一VCSEL、第二VCSEL、第三VCSEL、第四VCSEL外加偏置电流，分别对所述第一路光电信号、所述第二路光电信号、所述第三路光电信号、所述第四路光电信号的脉冲强度进行调整，以获得调整后的光电输出信号。以采用AWG对各VCSEL输出不同的偏置电流，实现采用动态的放大权重对各路光电信号进行的调整。

进一步的，交叉阵列的光子突触权重矩阵装置，其特征在于，还包括：第三光纤耦合器133、第四光纤耦合器134、第一光电探测器PD1(141)和第二光电探测器PD2(142)；

所述第三光纤耦合器133分别与第一VCSEL121和第三VCSEL123连接，用于输出所述第三光纤耦合器133耦合的第三耦合信号，所述第三耦合信号包括将第一路光电输出信号和第三路光电输出信号分别加权之后的和的信号，所述第一光电探测器PD1(141)探测第三耦合信号；

所述第四光纤耦合器134分别与第二VCSEL122和第四VCSEL124连接，用于输出所述第四光纤耦合器耦合的第四耦合信号，所述第四耦合信号包括将第二路光电输出信号和第四路光电输出信号分别加权之后的和的信号，所述第二光电探测器探测PD2(142)探测第四耦合信号。

具体的，第一可调谐光源TL1产生的所述第一光电信号，第二可调谐光源TL2产生的所述第二光电信号分别先通过光隔离器ISO，再通过可变光衰减器VOA输出，其中，该光隔离器ISO用于避免传输的光信号产生不必要的反射，可变光衰减器VOA可以控制光信号的输出功率，接着，光信号通过偏振控制器PC偏振处理后，被引入到马赫曾德尔调制器MZM，此时，15MHz脉冲发生器(PG)与MZM1一起用于调制TL1的注入，与MZM2一起用于调制TL2的注入,然后分别使用偏振控制器PC将光信号偏振匹配到VCSEL的平行谐振模式,并使用两个50：50的光纤耦合器将每一路调制光分为两条路径，TL1产生的光信号分别通过光环行器注入到VCSOA11和VCSOA12，TL2产生的光信号分别通过光环形器注入到VCSOA21和VCSOA22。入射光脉冲根据VCSOA的工作点进行加权，然后在分析之前分别组合在一个快速的9GHz的放大光电探测器中，VCSOA11和VCSOA21的输出经过50：50耦合器再经过光电探测器PD1，和示波器1通道相连进行测试，VCSOA12和VCSOA22的输出经过50：50耦合器再经过PD2，在示波器上2通道观察post2的结果。

对于在2×2VCSOA交叉阵列中，使用任意波形发生器AWG产生4个通道电信号，可调谐激光器TL提供光载波。

静态调整，即静态权重：使用4个VCSOA(工作波长为1550nm)对注入设备的150ps长脉冲在各自波长下进行测量静态权重，这些重量值提供了注入每个设备的光脉冲的最大放大率,分别在VCSOA11，VCSOA21，VCSOA12，VCSOA22中选择合适的偏置电流设置w11、w21、w12、w22,每个VCSOA分别产生相应的放大系数。电探测器在系统输出端收集两个VCSOA突触组合后获得的输出脉冲。该值与两个加权脉冲w11和w21的总和相关，因此实现突触的乘加操作,权重矩阵为

应用于VCSOA突触的静态权重可用于在低输入功率(脉冲峰值功率仅为几十μW)和施加偏置电流变化非常小(几十μA)的情况下执行突触的乘加操作，输入速度的限制由VCSOA的恢复时间设置，并由载流子寿命确定，对于本方案中使用的VCSEL而言，载流子寿命通常为～1ns。

动态调整，即动态权重：为高速动态调整VCSOA的突触重量，AWG控制基于VCSOA的突触系统快速适应新任务或者训练集，无需手动设置参数。在提出的方案中，使用了具有动态(时变)权重的VCSOA交叉阵列。PG产生的输入脉冲编码的光信号注入到VCSOA交叉阵列中，使用AWG生成4路不同的信号来调制每个VCSOA的偏置电流，四个VCSOA输出端产生的脉冲振幅级别与对应AWG产生的电平信号一致，分别对应于权重w11,w12,w21,w22，在光电探测器中添加所有VCSOA分支之前(不考虑其波长)，将输入脉冲乘以可配置的权重，也就是说，输出脉冲的组合加权完成突触的乘加操作。

总的来说，快速光脉冲的加权和和运算可以通过具有高速和用户定义的加权控制的VCSOA交叉阵列突触来执行。此外，在所研究的每个配置中，我们通过调节施加的偏置电流使其高速动态加权；因此允许快速和远程调整突触权重。这使得我们提出的光子交叉阵列突触可以很容易地针对不同的网络任务或训练周期进行重新调整。此外，这个方案是基于关键通信波长(1550nm)下商用VCSEL和光纤组件构建的；从而使我们的方法与光通信网络和数据中心技术完全兼容。因此，这份方案利用了VCSEL在光子突触在表现硬件友好、低功耗、高速和快速调谐重量的优势，用于未来的神经形态光子尖峰处理平台。

如图5所示，本发明实施例提供一种基于交叉阵列的光子突触权重矩阵装置的光电信号权重调整方法，包括以下步骤：

步骤501、获取至少两路光电信号。

本实施例的所述两路光电信号包括：第一光电信号和第二光电信号；

步骤502、分别对所述两路光电信号的脉冲强度进行调整，获得调整后的光电输出信号。

本实施例的交叉阵列的光子突触权重矩阵装置的光电信号权重调整方法，包括：可调谐光源和电光调制器，用于获取至少两路光电信号，所述两路光电信号包括：第一光电信号和第二光电信号；与所述可调谐光源和电光调制器连接的光子突触交叉阵列，用于分别对所述两路光电信号的脉冲强度进行调整，获得调整后的光电输出信号。通过将光子突触交叉阵列对两路光电信号的脉冲强度进行调整，进而提高了人工智能神经网络的数据处理的速度。

在上述实施例的基础上，所述获取至少两路光电信号，还包括：

将所述第一通道的所述第一光电信号进行分路处理，获得第一路光电信号和第二路光电信号；

将所述第二通道的所述第二光电信号进行分路处理，获得第三路光电信号和第四路光电信号。

进一步的，在上述实施例的基础上，所述分别对所述两路光电信号的脉冲强度进行调整，获得调整后的光电输出信号，包括：

对所述第一路光电信号的脉冲强度进行调整，获得第一路光电输出信号；

对所述第二路光电信号的脉冲强度进行调整，获得第二路光电输出信号；

对所述第三路光电信号的脉冲强度进行调整，获得第三路光电输出信号；

对所述第四路光电信号的脉冲强度进行调整，获得第四路光电输出信号。

进一步的，在上述实施例的基础上，所述分别对所述两路光电信号的脉冲强度进行调整，获得调整后的光电输出信号，还包括：

获取波形发生器AWG输出的偏置电流；

分别对所述第一路光电信号、所述第二路光电信号、所述第三路光电信号、所述第四路光电信号的脉冲强度进行调整；

获得调整后的光电输出信号。

进一步的，在上述实施例的基础上，所述分别对所述两路光电信号的脉冲强度进行调整，获得调整后的光电输出信号，还包括：

输出第三耦合信号，所述第三耦合信号包括将第一路光电输出信号和第三路光电输出信号分别加权之后的和的信号；

输出第四耦合信号，所述第四耦合信号包括将第二路光电输出信号和第四路光电输出信号分别加权之后的和的信号。

本实施例提供的交叉阵列的光子突触权重矩阵装置的光电信号权重调整方法的工作原理和技术效果与前述图4所述的工作原理和技术效果类似，在此不再赘述。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特数据点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特数据点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。