基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光波包識別光電子集成芯片

逍遙設(shè)計自動化

引言
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過強(qiáng)大的模式識別能力，已經(jīng)在許多領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響。雖然電子實現(xiàn)方式占主導(dǎo)地位，但光電子集成芯片在高速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)以區(qū)分光波包，重點介紹儲備池計算架構(gòu)[1]。
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儲備池計算基礎(chǔ)
儲備池計算（RC）是一種獨特的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方法，簡化了訓(xùn)練過程。與需要復(fù)雜反向傳播的傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同，RC系統(tǒng)可以通過單次矩陣求逆運算完成訓(xùn)練。RC架構(gòu)包含三個主要組成部分：輸入數(shù)據(jù)的輸入層、進(jìn)行神經(jīng)處理的儲備池（隱藏層）和生成最終結(jié)果的輸出層。

圖1：儲備池計算的基本架構(gòu)示意圖，顯示輸入矩陣Win、循環(huán)矩陣W和輸出矩陣Wout。

8 H2 z, D3 Z. KRC的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)依賴于描述網(wǎng)絡(luò)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(dāng)前輸入u(n)與先前狀態(tài)x(n-1)結(jié)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(guān)信號。

; Z' [+ e. U7 O) U! w; p3 k4 W! o' _, W光電子實現(xiàn)
將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概念轉(zhuǎn)換為光電子線路需要精心設(shè)計光學(xué)組件。主要構(gòu)建模塊包括：

1. 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(qiáng)度之間的平方根關(guān)系。
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8 D& e4 X/ w' O( H" ?3 f" L/ d1 l圖2：方向耦合器結(jié)構(gòu)圖，顯示輸入端口（IA，IB）和輸出端口（IoA，IoB）。
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2 S2 ~' x1 @! p7 {2. 馬赫-曾德爾調(diào)制器：基于電信號調(diào)制輸入光，實現(xiàn)電信號到光信號的轉(zhuǎn)換。
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8 z' G% i) s, o3. 相移器：通過精細(xì)調(diào)節(jié)光干涉效應(yīng)實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重。
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7 [0 e9 a' s# L# j4. 螺旋波導(dǎo)：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。

4 z# q9 o) L% I6 S圖3：光延遲線設(shè)計，顯示(a)螺旋波導(dǎo)布局示意圖和(b)不同波導(dǎo)長度的損耗特性測量結(jié)果。

芯片設(shè)計與制造
2 e8 N' a# C/ d3 o( ?光電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)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(luò)芯片照片，(b)顯示組件排列的詳細(xì)布局，(c)芯片性能表征測量裝置。
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波導(dǎo)設(shè)計具有精確尺寸 - 寬度450納米和高度220納米，確保適當(dāng)?shù)墓饽Ｊ较拗啤７较蝰詈掀魍ㄟ^精確控制波導(dǎo)之間的間隔來實現(xiàn)所需的耦合比。
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系統(tǒng)性能
7 h7 R: W2 @& W6 j# r; u光電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在區(qū)分三角波和方波波包方面表現(xiàn)出色：
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圖5：系統(tǒng)性能展示(a)目標(biāo)輸出，(b)輸入電信號，(c)馬赫-曾德爾調(diào)制器的光輸出，(d)區(qū)分波包類型的最終系統(tǒng)輸出。

6 g5 T8 P! X+ W( N  j3 E芯片在3千兆赫茲運行，實現(xiàn)：
不同輸入模式之間的最大消光比為7.62分貝
6 G; g. P& G7 s' \; E) N7 {在1585.195納米波長處總插入損耗為37.1分貝
  s/ E) b. C. D7 C3 u9 J: T相移器調(diào)制帶寬為25.6千兆赫茲


  m1 }4 @5 h9 E! B; \+ {) r5 V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(yīng)。

6 m6 @6 t- k+ I) [- z) T. K這種光電子實現(xiàn)的主要優(yōu)勢之一是速度 - 電子計算機(jī)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(nèi)（約121.8皮秒）處理信號。
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未來發(fā)展方向
1 y3 \5 z7 q4 |( p/ X當(dāng)前設(shè)計可以通過以下方面進(jìn)行改進(jìn)：
# z1 U1 m( x6 g/ Y' z通過更緊湊的組件減小芯片尺寸
, O( @( H. u2 b; r2 w* c提高操作頻率超過3千兆赫茲
實現(xiàn)更復(fù)雜的模式識別任務(wù)
5 [& B: p' L& B4 x4 {7 n減少光學(xué)損耗以提高系統(tǒng)效率
- M) {) `+ m  F/ p) i2 Q: ~
5 [1 y* V. `. z) X+ j/ F; S光電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的成功演示為高速光信號處理和模式識別應(yīng)用提供了新的技術(shù)方案。隨著制造技術(shù)不斷進(jìn)步，更復(fù)雜的光電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將會出現(xiàn)。
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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(luò)在實現(xiàn)高速模式識別能力方面的潛力。光學(xué)非線性、精確制造技術(shù)和巧妙的架構(gòu)設(shè)計的結(jié)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。

7 ~- s, |* B: K0 r3 D" Z參考文獻(xiàn)
; D, b  H1 i9 @' t' H  S[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.

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