本發(fā)明屬于光信號(hào)處理領(lǐng)域，特別是涉及一種可重構(gòu)電光非線性激活函數(shù)器件。

背景技術(shù)：

1、隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial?neural?network，ann)作為模仿生物神經(jīng)系統(tǒng)的計(jì)算模型，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)制程工藝逐漸接近極限，傳統(tǒng)電子集成電路摩爾定律逐漸失效，電子芯片在進(jìn)一步提升計(jì)算速度和降低功耗方面面臨著一些難以解決的瓶頸。同時(shí)，隨著信息容量的不斷增加以及通用電子處理器在并行處理中受到吞吐量限制，傳統(tǒng)的電學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法有效執(zhí)行高度復(fù)雜的人工智能任務(wù)。光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(optical?neural?network，onn)由于其高并行性和高調(diào)制速度，具有更高的效率和速度，并且能夠降低能耗。因此，光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有望成為未來(lái)數(shù)據(jù)處理硬件的重要發(fā)展方向，為更多領(lǐng)域帶來(lái)更快、更有效的數(shù)據(jù)處理能力。

2、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)元由線性計(jì)算單元和激活函數(shù)(activation?function，af)組成。當(dāng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不存在非線性激活時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不論有多少隱藏層，都只是在對(duì)輸入進(jìn)行線性的組合，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)的表達(dá)能力較弱。引入非線性激活函數(shù)后，激活函數(shù)會(huì)將輸入進(jìn)行非線性映射到輸出，從而使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果能夠逼近任意非線性函數(shù)，增強(qiáng)了對(duì)數(shù)據(jù)的表達(dá)能力。這種能力源于網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的有限性和不變性，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)W習(xí)輸入和輸出之間的復(fù)雜映射，進(jìn)而解決真實(shí)世界中的復(fù)雜問(wèn)題。然而，光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大多數(shù)研究都集中在線性矩陣向量乘法部分。在自由空間衍射元件或集成光子電路中出現(xiàn)了許多成熟的光學(xué)線性矩陣乘法方案，如馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(mach-zehnderinterferometer，mzi)網(wǎng)格、微環(huán)諧振器(micro-ring?resonator，mrr)矩陣、和相變材料輔助的矩陣乘法單元。而對(duì)ann的另一個(gè)重要的組成部分也就是非線性激活的研究較少。但是實(shí)際上，非線性激活在網(wǎng)絡(luò)中起著至關(guān)重要的作用。在乘積累加運(yùn)算(multiplyaccumulate，mac)之后的輸出上應(yīng)用非線性激活功能，仍然是光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究中的一個(gè)難題。

3、在光學(xué)硬件平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)非線性更具挑戰(zhàn)性，其原因之一是光學(xué)非線性相對(duì)較弱，這意味著需要更大的相互作用長(zhǎng)度和更高的信號(hào)功率來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的效果。這不僅對(duì)器件的物理尺寸產(chǎn)生影響，還增加了能量消耗，同時(shí)也提高了非線性閾值，這些都對(duì)onn的設(shè)計(jì)和性能造成了限制。光學(xué)非線性的一個(gè)更基本的限制是它們的響應(yīng)在器件制造過(guò)程中趨于固定。非線性光學(xué)響應(yīng)的這種有限的可調(diào)諧性阻止了onn被重新編程以實(shí)現(xiàn)不同形式的非線性激活函數(shù)，這極大地限制了其靈活性和可調(diào)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的適應(yīng)性和泛化能力，本發(fā)明利用定向耦合器，對(duì)輸入光信號(hào)進(jìn)行分光；將小功率的光經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換放大后轉(zhuǎn)化為剩余大部分信號(hào)功率光的控制信號(hào)，設(shè)計(jì)出輸入分光模塊和控制模塊，以實(shí)現(xiàn)在不增加光學(xué)信號(hào)功率的情況下實(shí)現(xiàn)較低的激活閾值，通過(guò)利用微環(huán)諧振器施加電壓和改變相變材料的晶化度(有效折射率的改變)輸出譜改變的特性和相變材料非易失特性，設(shè)計(jì)出可重構(gòu)非線性輸出模塊結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)輸入光信號(hào)與輸出光信號(hào)可重構(gòu)的非線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)低閾值、可重構(gòu)的光學(xué)非線性激活函數(shù)，以提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的適應(yīng)性和泛化能力。

2、為達(dá)到上述技術(shù)目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種可重構(gòu)電光非線性激活函數(shù)器件，包括：輸入分光模塊、控制模塊和可重構(gòu)非線性輸出模塊；

4、所述輸入分光模塊采用定向耦合器，用于將輸入光信號(hào)pin進(jìn)行分光得到小功率分光信號(hào)αpin和剩余分光信號(hào)(1-α)pin；

5、所述控制模塊包括：光電探測(cè)器、線性互阻抗放大器tia和外接電壓vb；

6、所述光電探測(cè)器用于將小功率分光信號(hào)αpin轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)；所述線性互阻抗放大器tia用于將電流信號(hào)放大為第一電壓信號(hào)；所述第一電壓信號(hào)和外接電壓vb進(jìn)行合并得到第二電壓信號(hào)；

7、所述可重構(gòu)非線性輸出模塊采用摻雜了pn結(jié)和嵌入非易失相變材料sb2se3的all-pass型微環(huán)諧振器；

8、所述all-pass型微環(huán)諧振器用于根據(jù)第二電壓信號(hào)對(duì)剩余分光信號(hào)(1-α)pin進(jìn)行調(diào)制得到激活函數(shù)器件的輸出結(jié)果。

9、優(yōu)選地，所述光電探測(cè)器為光電二極管。

10、優(yōu)選地，所述第二電壓信號(hào)作為all-pass型微環(huán)諧振器的控制信號(hào)施加在all-pass型微環(huán)諧振器的pn結(jié)上。

11、優(yōu)選地，所述all-pass型微環(huán)諧振器包括：基板、以及設(shè)置在基板上的直波導(dǎo)和環(huán)形波導(dǎo)，所述直波導(dǎo)橫向設(shè)置；所述環(huán)形波導(dǎo)設(shè)置在直波導(dǎo)的前方或后方，且所述直波導(dǎo)和環(huán)形波導(dǎo)具有一個(gè)耦合區(qū)域；在所述環(huán)形波導(dǎo)的左側(cè)，沿所述環(huán)形波導(dǎo)的周向參雜有n型節(jié)，所述環(huán)形波導(dǎo)的圓周內(nèi)側(cè)區(qū)域設(shè)置有p型節(jié)，構(gòu)成all-pass型微環(huán)諧振器的pn結(jié)。

12、優(yōu)選地，所述環(huán)形波導(dǎo)的右端上面沿環(huán)形波導(dǎo)的周向設(shè)置有非易失相變材料sb2se3層。

13、優(yōu)選地，所述非易失相變材料sb2se3層的寬度與環(huán)形波導(dǎo)的寬度相同；所述非易失相變材料sb2se3層的長(zhǎng)度為環(huán)形波導(dǎo)的周長(zhǎng)的0.01～0.2。

14、本發(fā)明至少具有以下有益效果

15、本發(fā)明提出一種可重構(gòu)電光非線性激活函數(shù)器件，通過(guò)利用電子域中的信號(hào)放大，將輸入光信號(hào)進(jìn)行分光后得到的小功率分光信號(hào)轉(zhuǎn)化到電域中并進(jìn)行放大，作為控制信號(hào)，電子域中的信號(hào)放大可以克服對(duì)高光學(xué)信號(hào)功率的需要，可以在不增加光學(xué)信號(hào)功率的情況下實(shí)現(xiàn)較低的激活閾值，從而減少了對(duì)高光學(xué)信號(hào)功率的需求，提高onn的性能和效率；且由于大部分信號(hào)功率(剩余分光信號(hào))保持在光域中，不需要在網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)非線性層處具有新的光源。此外，引入非易失性相變材料sb2se3，并將其嵌入到mrr中。通過(guò)利用sb2se3的非易失性特性，切換sb2se3的不同晶化度，實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的非線性調(diào)制。采用低功耗的納秒激光器，可以實(shí)現(xiàn)sb2se3在非晶態(tài)和晶態(tài)之間快速可逆地切換?？紤]到sb2se3表現(xiàn)出的非易失特性，即使在沒(méi)有電源的情況下也能夠保持狀態(tài)。采用非易失性相變材料實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)的非線性調(diào)制，使得系統(tǒng)具有更高的靈活性和可調(diào)性，這意味著該結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)更好的適應(yīng)性和泛化能力。因此，本發(fā)明有望應(yīng)對(duì)onn中低閾值可重構(gòu)光學(xué)非線性激活函數(shù)的應(yīng)用，從而提高光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性和性能。

技術(shù)特征：

1.一種可重構(gòu)電光非線性激活函數(shù)器件，其特征在于，包括：輸入分光模塊、控制模塊和可重構(gòu)非線性輸出模塊；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可重構(gòu)電光非線性激活函數(shù)器件，其特征在于，所述光電探測(cè)器為光電二極管。

3.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可重構(gòu)電光非線性激活函數(shù)器件，其特征在于，所述第二電壓信號(hào)作為all-pass型微環(huán)諧振器的控制信號(hào)施加在all-pass型微環(huán)諧振器的pn結(jié)上。

4.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可重構(gòu)電光非線性激活函數(shù)器件，其特征在于，所述all-pass型微環(huán)諧振器包括：基板、以及設(shè)置在基板上的直波導(dǎo)和環(huán)形波導(dǎo)，所述直波導(dǎo)橫向設(shè)置；所述環(huán)形波導(dǎo)設(shè)置在直波導(dǎo)的前方或后方，且所述直波導(dǎo)和環(huán)形波導(dǎo)具有一個(gè)耦合區(qū)域；在所述環(huán)形波導(dǎo)的左側(cè)，沿所述環(huán)形波導(dǎo)的周向參雜有n型節(jié)，所述環(huán)形波導(dǎo)的圓周內(nèi)側(cè)區(qū)域設(shè)置有p型節(jié)，構(gòu)成all-pass型微環(huán)諧振器的pn結(jié)。

5.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可重構(gòu)電光非線性激活函數(shù)器件，其特征在于，所述環(huán)形波導(dǎo)的右端上面沿環(huán)形波導(dǎo)的周向設(shè)置有非易失相變材料sb2se3層。

6.根據(jù)根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種可重構(gòu)電光非線性激活函數(shù)器件，其特征在于，所述非易失相變材料sb2se3層的寬度與環(huán)形波導(dǎo)的寬度相同；所述非易失相變材料sb2se3層的長(zhǎng)度為環(huán)形波導(dǎo)的周長(zhǎng)的0.01～0.2。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種可重構(gòu)電光非線性激活函數(shù)器件，包括：輸入分光模塊、控制模塊和可重構(gòu)非線性輸出模塊；所述輸入分光模塊采用定向耦合器，用于將輸入光信號(hào)進(jìn)行分光得到小功率分光信號(hào)和剩余分光信號(hào)；所述控制模塊包括：光電探測(cè)器、線性互阻抗放大器TIA和外接電壓；所述光電探測(cè)器用于將小功率分光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)；所述線性互阻抗放大器TIA用于將電流信號(hào)放大為第一電壓信號(hào)；所述第一電壓信號(hào)和外接電壓進(jìn)行合并得到第二電壓信號(hào)；所述可重構(gòu)非線性輸出模塊采用摻雜了PN結(jié)和嵌入非易失相變材料Sb<subgt;2</subgt;Se<subgt;3</subgt;的All?Pass型微環(huán)諧振器；所述All?Pass型微環(huán)諧振器用于根據(jù)第二電壓信號(hào)對(duì)剩余分光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制得到激活函數(shù)器件的輸出果。本發(fā)明有望應(yīng)對(duì)ONN中低閾值可重構(gòu)光學(xué)非線性激活函數(shù)的應(yīng)用，從而提高光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性和性能。

技術(shù)研發(fā)人員：郭鵬星,左曉龍,孫巍,侯維剛,郭磊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：重慶郵電大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21