基于光注入FP激光器的光子脉冲神经元装置及实现方法

本发明属于光计算，具体涉及一种基于光注入fp激光器的光子脉冲神经元装置及实现方法。

背景技术：

1、科技的日益发展，数据的爆发式增长对信息处理系统提出高速、高能效的要求。神经形态计算借鉴大脑的信息处理方式：神经突触连接方式，神经网络结构已成为一种非冯·诺伊曼计算范式，并取得了显著的进展。光子神经形态计算结合光子学与神经形态计算的特点，在速度与能效方面表现出显著的优势，但仍处于起步阶段。光子脉冲神经元作为光子脉冲神经网络的主要功能单元之一，在网络中有着非线性计算的作用。但目前，使用光器件实现非线性计算存在着巨大的挑战。

2、为解决光域实现非线性计算这一难题，学者对光子神经网络的非线性计算进行了大量的研究。迄今为止，基于垂直腔面发射激光器(vertical-cavitysurface-emittinglaser，vcsels)、内置可饱和吸收体的vcsel、微柱激光器、分布式反馈半导体激光器(distributed feedback laser，dfb)、微环或微谐振器以及基于相变材料的集成器件分别实现了光子脉冲神经网络的基本组成部分-光子脉冲神经元。

3、然而，基于微柱激光器神经元与vcsel神经元的输出功率相对较低，当应用于多层或深度光脉冲神经网络时，可能需要额外的放大来补偿损耗。基于相变材料的光子脉冲神经元缺乏对脉冲处理至关重要的时域累积能力。由于dfb是单模激光器，适合外光注入dfb光子脉冲神经元的载波波长较单一。因此，现有的激光器在实现光子脉冲神经元时存在损耗高、缺乏时域累积能力、载波波长较单一的缺陷。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于光注入fp激光器的光子脉冲神经元装置及实现方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明实施例提供了一种基于光注入fp激光器的光子脉冲神经元装置，包括：可调谐激光器、第一偏振控制器、任意波形发生器、射频放大器、调制器、可调光衰减器、第二偏振控制器、第一耦合器、光功率计、光环形器、fp激光器、电流源、温控模块、第二耦合器、光谱仪、光电探测器和示波器，其中，

3、所述可调谐激光器的输出端连接所述第一偏振控制器的输入端，所述第一偏振控制器的输出端连接所述调制器的第一输入端；所述任意波形发生器的输出端连接所述射频放大器的输入端，所述射频放大器的输出端连接所述调制器的第二输入端；所述调制器的输出端连接所述可调光衰减器的输入端，所述可调光衰减器的输出端连接所述第二偏振控制器的输入端，所述第二偏振控制器的输出端连接所述第一耦合器的输入端；所述第一耦合器的第一输出端连接所述光功率计的输入端，所述第一耦合器的第二输入端连接所述光环形器的第一端口，所述光环形器的第二端口双向连接所述fp激光器的第一端口，所述光环形器的第三端口连接所述第二耦合器的输入端；所述fp激光器的第二端口和第三端口分别连接所述电流源的输出端和所述温控模块的输出端；所述第二耦合器的第一输出端连接所述光谱仪的输入端，所述第二耦合器的第二输出端连接所述光电探测器的输入端，所述光电探测器的输出端连接所述示波器。

4、在本发明的一个实施例中，基于光注入fp激光器的光子脉冲神经元特性包括阈值特性、时域累积特性和不应期特性。

5、在本发明的一个实施例中，所述fp激光器的阈值电流为8ma，基于光注入fp激光器的光子脉冲神经元的绝对不应期为0.2ns，所述fp激光器为多模激光器。

6、本发明的另一实施例提供了一种基于光注入fp激光器的光子脉冲神经元实现方法，采用如上述实施例所述的装置实现，包括步骤：

7、s1、获取fp激光器自由运行时的功率电流曲线，并根据所述功率电流曲线确定所述fp激光器自由运行时的阈值电流；

8、s2、在目标电流大于所述阈值电流的条件下，获取所述fp激光器自由运行时的光谱图，并根据所述光谱图确定可调谐激光器产生的连续光载波的波长；

9、s3、使得可调谐激光器在目标模式下产生不同光注入功率的连续光载波，并使任意波形发生器产生三角波，获取所述fp激光器在所述连续光载波进行光注入时的脉冲状态以得到光注入所述fp激光器的非线性动力学响应，并根据所述fp激光器的非线性动力学响应实现光注入所述fp激光器的光子脉冲神经元，其中，光注入所述fp激光器的光子脉冲神经元特性包括：脉冲激发阈值特性、时域累积特性和不应期特性。

10、在本发明的一个实施例中，步骤s1包括：

11、在目标温度下，关闭可调谐激光器和任意波形发生器，逐渐增大电流源的目标电流，获取fp激光器自由运行时的功率，由所述目标电流和所述fp激光器的功率形成功率电流曲线；

12、从所述功率电流曲线确定所述fp激光器自由运行时的阈值电流。

13、在本发明的一个实施例中，所述阈值电流为8ma。

14、在本发明的一个实施例中，步骤s2包括：

15、在目标温度下，关闭可调谐激光器和任意波形发生器，使电流源提供大于所述阈值电流的固定电流，获取所述fp激光器在所述固定电流下自由运行时的光谱，形成光谱图；

16、从所述光谱图中确定可调谐激光器产生的连续光载波的波长。

17、在本发明的一个实施例中，步骤s3包括：

18、使得可调谐激光器产生第一光注入功率的连续光载波，并使任意波形发生器产生三角波，获取所述fp激光器在所述三角波的不同注入强度下的第一脉冲状态，得到第一光注入功率下所述fp激光器的非线性动力学响应；

19、根据第一光注入功率下所述fp激光器的非线性动力学响应实现光注入所述fp激光器的光子脉冲神经元；

20、使得可调谐激光器产生第二光注入功率的连续光载波，并使任意波形发生器产生三角波，获取所述fp激光器在所述三角波的不同注入强度下的第二脉冲状态，其中，所述第二功率大于所述第一功率；

21、根据第二光注入功率下所述fp激光器的非线性动力学响应实现光注入所述fp激光器的光子脉冲神经元。

22、在本发明的一个实施例中，所述不应期特性包括绝对不应期和相对不应期，所述绝对不应期为0.2ns。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果：

24、本发明的光子脉冲神经元实现方法首先确定fp激光器自由运行时的阈值电流，并利用该电流确定可调谐激光器的波长，然后获取fp激光器在不同功率的连续光载波进行光注入时的脉冲状态，得到fp激光器的非线性动力学响应，实现fp激光器的光子脉冲神经元；fp激光器的阈值电流较低，耗能较小；fp激光器为多模激光器，可对不同外部注入波长的进行响应；同时光注入fp激光器的光子脉冲神经元特性具有时域累积特性，具有对脉冲处理的时域累积能力；因此可以解决现有的激光器在实现光子脉冲神经元时存在损耗高、缺乏时域累积能力、载波波长较单一的缺陷。

技术特征：

1.一种基于光注入fp激光器的光子脉冲神经元装置，其特征在于，包括：可调谐激光器、第一偏振控制器、任意波形发生器、射频放大器、调制器、可调光衰减器、第二偏振控制器、第一耦合器、光功率计、光环形器、fp激光器、电流源、温控模块、第二耦合器、光谱仪、光电探测器和示波器，其中，

2.根据权利要求1所述的基于光注入fp激光器的光子脉冲神经元装置，其特征在于，基于光注入fp激光器的光子脉冲神经元特性包括阈值特性、时域累积特性和不应期特性。

3.根据权利要求1所述的基于光注入fp激光器的光子脉冲神经元装置，其特征在于，所述fp激光器的阈值电流为8ma，基于光注入fp激光器的光子脉冲神经元的绝对不应期为0.2ns，所述fp激光器为多模激光器。

4.一种基于光注入fp激光器的光子脉冲神经元实现方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任一项所述的装置实现，包括步骤：

5.据权利要求4所述的基于光注入fp激光器的光子脉冲神经元实现方法，其特征在于，步骤s1包括：

6.根据权利要求5所述的基于光注入fp激光器的光子脉冲神经元实现方法，其特征在于，所述阈值电流为8ma。

7.根据权利要求4所述的基于光注入fp激光器的光子脉冲神经元实现方法，其特征在于，步骤s2包括：

8.根据权利要求4所述的基于光注入fp激光器的光子脉冲神经元实现方法，其特征在于，步骤s3包括：

9.根据权利要求4所述的基于光注入fp激光器的光子脉冲神经元实现方法，其特征在于，所述不应期特性包括绝对不应期和相对不应期，所述绝对不应期为0.2ns。

技术总结
本发明涉及一种基于光注入FP激光器的光子脉冲神经元装置及实现方法，装置包括：可调谐激光器、第一偏振控制器、任意波形发生器、射频放大器、调制器、可调光衰减器、第二偏振控制器、第一耦合器、光功率计、光环形器、FP激光器、电流源、温控模块、第二耦合器、光谱仪、光电探测器和示波器。本发明实施例解决了现有的激光器在实现光子脉冲神经元时存在损耗高、缺乏时域累积能力、载波波长较单一的缺陷。

技术研发人员：张雅慧,项水英,郭星星,高爽,宋紫薇,郝跃
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16