基于神經(jīng)網(wǎng)絡的光波包識別光電子集成芯片

逍遙設計自動化

引言
0 P  j3 F7 `/ S7 p" ~神經(jīng)網(wǎng)絡通過強大的模式識別能力，已經(jīng)在許多領域產生了重大影響。雖然電子實現(xiàn)方式占主導地位，但光電子集成芯片在高速神經(jīng)網(wǎng)絡處理方面展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。本文探討光電子芯片如何實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡以區(qū)分光波包，重點介紹儲備池計算架構[1]。
2 R- C+ N5 A; `) B* Q9 s
儲備池計算基礎
  K  n4 T' v- V: z儲備池計算（RC）是一種獨特的神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)方法，簡化了訓練過程。與需要復雜反向傳播的傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡不同，RC系統(tǒng)可以通過單次矩陣求逆運算完成訓練。RC架構包含三個主要組成部分：輸入數(shù)據(jù)的輸入層、進行神經(jīng)處理的儲備池（隱藏層）和生成最終結果的輸出層。

1 U( z- t; T$ W, ~圖1：儲備池計算的基本架構示意圖，顯示輸入矩陣Win、循環(huán)矩陣W和輸出矩陣Wout。
2 W! U# x9 `, s
7 @5 E0 F3 b$ D' f* \RC的數(shù)學基礎依賴于描述網(wǎng)絡如何隨時間處理信息的狀態(tài)方程。狀態(tài)向量x(n)通過非線性激活函數(shù)將當前輸入u(n)與先前狀態(tài)x(n-1)結合。這種時間處理賦予RC系統(tǒng)固有的記憶能力，使其特別適合處理時間相關信號。
& o5 V8 g6 R4 a& k1 f7 o5 p) |
8 t$ e: _2 _# W% _9 F$ d( b光電子實現(xiàn)
將神經(jīng)網(wǎng)絡概念轉換為光電子線路需要精心設計光學組件。主要構建模塊包括：
; n" J' p8 @; i% p) N+ S& p
0 a* Z7 g) n7 Z  @! D1. 方向耦合器：作為非線性激活函數(shù)，實現(xiàn)輸入和輸出光強度之間的平方根關系。

4 L% T% Z! |. p4 l+ F9 e' P# w圖2：方向耦合器結構圖，顯示輸入端口（IA，IB）和輸出端口（IoA，IoB）。

1 D% P! j  G0 w9 E- Q4 r2. 馬赫-曾德爾調制器：基于電信號調制輸入光，實現(xiàn)電信號到光信號的轉換。
" e) I7 z% ^8 V2 r' W. C, [/ d
- p. E0 J# q, w8 g$ Z8 q- _2 k) P3. 相移器：通過精細調節(jié)光干涉效應實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡權重。

4. 螺旋波導：提供光延遲線，幫助實現(xiàn)儲備池計算系統(tǒng)的時間記憶特性。

圖3：光延遲線設計，顯示(a)螺旋波導布局示意圖和(b)不同波導長度的損耗特性測量結果。
6 f3 x6 e" v& O
芯片設計與制造
9 ~% |, v  J8 o$ ~光電子神經(jīng)網(wǎng)絡采用標準半導體制造工藝在硅絕緣體(SOI)平臺上制造。芯片集成多個組件：

圖4：(a)已制造的光神經(jīng)網(wǎng)絡芯片照片，(b)顯示組件排列的詳細布局，(c)芯片性能表征測量裝置。
) y3 A0 Q- ?3 N) m' N9 {% I
波導設計具有精確尺寸 - 寬度450納米和高度220納米，確保適當?shù)墓饽Ｊ较拗�。方向耦合器通過精確控制波導之間的間隔來實現(xiàn)所需的耦合比。
0 G! {& f$ F2 f6 J$ @' `
8 v; R2 e0 U/ B系統(tǒng)性能
) \- d# G$ W. ]" O& v光電子神經(jīng)網(wǎng)絡在區(qū)分三角波和方波波包方面表現(xiàn)出色：
( q& i2 i6 b# [! _, E# E+ w
圖5：系統(tǒng)性能展示(a)目標輸出，(b)輸入電信號，(c)馬赫-曾德爾調制器的光輸出，(d)區(qū)分波包類型的最終系統(tǒng)輸出。

4 Y: E& q2 I1 y芯片在3千兆赫茲運行，實現(xiàn)：
* n9 N( z  P( t6 ?1 {+ @/ |+ w7 Y  w不同輸入模式之間的最大消光比為7.62分貝
: m+ n. ~+ Z* k9 q4 }在1585.195納米波長處總插入損耗為37.1分貝
0 U' e, q# c4 k1 E相移器調制帶寬為25.6千兆赫茲


圖6：在1585.195納米波長下的輸出功率測量，顯示系統(tǒng)對不同輸入信號和相移器電壓的響應。
- e# z$ M: N! |( X" b3 E
8 E$ q/ T0 V# S% s7 L+ X這種光電子實現(xiàn)的主要優(yōu)勢之一是速度 - 電子計算機可能需要多個時鐘周期來執(zhí)行必要的計算，而光電子芯片可以在光通過器件的時間內（約121.8皮秒）處理信號。

未來發(fā)展方向
當前設計可以通過以下方面進行改進：
( X( S% v* n+ K* T通過更緊湊的組件減小芯片尺寸
提高操作頻率超過3千兆赫茲
: Y, Y( a3 i+ F: x! c3 `& M- P實現(xiàn)更復雜的模式識別任務
- }' F6 ~; L+ d% o  E( O減少光學損耗以提高系統(tǒng)效率

光電子神經(jīng)網(wǎng)絡的成功演示為高速光信號處理和模式識別應用提供了新的技術方案。隨著制造技術不斷進步，更復雜的光電子神經(jīng)網(wǎng)絡將會出現(xiàn)。
, e8 z. @0 z( y
+ K( i, F: k% m( m6 l" T本文概述了如何在光電子集成線路中實現(xiàn)儲備池計算原理，展示了光電子神經(jīng)網(wǎng)絡在實現(xiàn)高速模式識別能力方面的潛力。光學非線性、精確制造技術和巧妙的架構設計的結合，使這些系統(tǒng)能夠直接在光域處理光信號，相比傳統(tǒng)電子實現(xiàn)具有獨特優(yōu)勢。
/ v1 V0 ?8 {% N& N6 n/ s7 p( J: I* F
參考文獻
  B1 K: q# e# X" i[1] C.-E. Lin, Y.-F. Chen, C.-P. Sun, and C.-C. Chen, "A photonic integrated chip for distinguishing the optical wave packets based on a neural-network," Results in Physics, vol. 65, p. 107982, Sep. 2024.

END
' ]% u' h! U: i, c
; z( O3 ^* Z  @1 a1 ^0 Q
2 d! A3 ]2 R0 B8 A- B/ [. R軟件申請我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請體驗免費版PIC Studio軟件。無論是研究還是商業(yè)應用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點擊左下角"閱讀原文"馬上申請
# P4 N! q$ Q# a
歡迎轉載

轉載請注明出處，請勿修改內容和刪除作者信息！
' `" f$ J6 Y' {$ ]0 |0 I; t
; K: b  N4 w6 I2 j" Y


' |3 x7 X6 j7 `+ L7 J) f$ K  r
關注我們
6 w6 n; D' T4 N) o. o: a! ]

! `7 r( t* }" `

% t/ V( D0 b2 v6 {

                     

; |  k3 S  P; W

4 R4 Q1 C! ^  m5 c; ^% S2 U關于我們：
2 K2 z8 s) p& d深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導體芯片設計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設計和仿真軟件，提供成熟的設計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務，廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領域的頭部客戶。逍遙科技與國內外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導體產業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術與服務。

http://www.latitudeda.com/
（點擊上方名片關注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內容）