IEEE J. Quantum Electron更新 | 基于相位到振幅轉(zhuǎn)換的全光學(xué)神經(jīng)激活函數(shù)

逍遙設(shè)計自動化

引言
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANNs）在人工智能領(lǐng)域引發(fā)了革命，在圖像識別、音頻處理和自然語言處理等多種任務(wù)中展現(xiàn)出卓越的性能。然而，現(xiàn)代ANNs日益增長的計算需求促使研究人員探索受人腦啟發(fā)的非常規(guī)硬件平臺。硅基光電子技術(shù)作為神經(jīng)形態(tài)計算的有前途的候選者脫穎而出，具有波長輔助并行性、固有線性處理能力和低功耗等優(yōu)勢。
$ @& i4 Y* ~5 }1 O+ N' T. B
8 d/ t9 W& \" v" OANNs的關(guān)鍵方面是激活函數(shù)，為網(wǎng)絡(luò)引入非線性，使復(fù)雜的模式識別成為可能。在本文中探討創(chuàng)新方法，利用無源光學(xué)諧振器中的相位到振幅（PTA）轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)全光學(xué)、可重構(gòu)和功率無關(guān)的神經(jīng)激活函數(shù)。
2 G7 y! d+ y; }


相位到振幅轉(zhuǎn)換
這種方法的核心概念是在無源光學(xué)濾波器（如微環(huán)諧振器，MRRs）中發(fā)生的非線性相位到振幅轉(zhuǎn)換。在這種方案中，信息被編碼在光載波包絡(luò)的相位中：
% _. f+ ~) r- Z  h$ y

其中P是輸入功率，m是調(diào)制指數(shù)，n(t)是范圍從-1到1的歸一化信號。

/ g; _3 y3 ^* X( f
圖1展示了相位梯度對基于微環(huán)諧振器漏端口的IIR光學(xué)濾波器透射率的影響。

1 z% w  H# v, v2 m1 y/ j光信號的頻率由相位編碼信息調(diào)制：
1 r: J+ C' O2 ?4 \
隨著光信號頻率因相位調(diào)制而變化，光學(xué)濾波器的透射率也隨之改變。這個過程產(chǎn)生了非線性PTA響應(yīng)，該響應(yīng)與輸入功率無關(guān)，使其非常適合低功耗應(yīng)用。
' ]+ g- A" V  d3 n! k" u1 r' N6 T4 F
* B5 _6 x1 ^  i! Y- X作為可重構(gòu)光子神經(jīng)元的微環(huán)諧振器
9 g7 @5 N2 E( P9 x) ?0 g: l: G為了演示PTA轉(zhuǎn)換機(jī)制，我們將使用微環(huán)諧振器（MRR）作為光學(xué)濾波器。MRR漏端口的傳遞函數(shù)為：

6 M' ^2 `/ w  z' M5 [
5 W$ J; E: W" |7 y( ~* W
$ d% R- }' D, C0 }! s  u* Z# L. N; P其中s = √k，c = √(1-k)，k是耦合系數(shù)，ζ = γ exp(-j(2π(f + df)Tring))。
% a- {. P. g$ k: e
* v3 Q: E& D& y% P- d' B
/ l+ K) q  V3 m5 z% Y圖2

圖2顯示了通過PTA轉(zhuǎn)換從單個MRR節(jié)點(diǎn)的漏端口獲得的不同激活函數(shù)：
  h+ q& I' f9 e" L& e; L% c(a) Soft-plus函數(shù)
  l8 M% A! Q* t, U(b) Sigmoid函數(shù)
) b4 U4 M3 Y( Z: \(c) 高斯函數(shù)

通過調(diào)整兩個關(guān)鍵超參數(shù) - 調(diào)制指數(shù)m和頻率失諧df - 可以控制激活函數(shù)的形狀。這使我們能夠重現(xiàn)多種獨(dú)立于輸入功率且對相位不確定性具有容忍度的激活函數(shù)。

+ {: `3 A) t4 \時延儲備計算
. N4 H- M: D7 n為了展示PTA轉(zhuǎn)換機(jī)制的實際應(yīng)用，將實現(xiàn)一個時延儲備計算（TDRC）方案，用于Santa Fe混沌時間序列的一步預(yù)測。

* J) H. r$ d8 ]5 ]/ U; \
圖3展示了用于Santa Fe混沌序列一步預(yù)測的TDRC設(shè)置。

4 i0 ?; Z2 D3 b+ P8 ZTDRC設(shè)置包括以下組件：
1.輸入處理：時間序列被歸一化并與掩碼矩陣相乘以進(jìn)行維度擴(kuò)展。
2.數(shù)模轉(zhuǎn)換：處理后的輸入轉(zhuǎn)換為模擬信號用于光學(xué)調(diào)制。
3.光學(xué)調(diào)制：信號使用幅度調(diào)制（AM）或相位調(diào)制（PM）調(diào)制光載波。
4.光子儲備：帶有外部反饋環(huán)的MRR為儲備提供物理存儲。
5.光電檢測和模數(shù)轉(zhuǎn)換：光子儲備的輸出被檢測并數(shù)字化。
( O8 m; n, u& c3 H/ X6 Z' F4 i6.線性回歸：處理后的數(shù)據(jù)用于進(jìn)行一步預(yù)測。

性能評估
使用幅度調(diào)制（AM）和相位調(diào)制（PM）方案評估TDRC系統(tǒng)的性能。使用的性能指標(biāo)是歸一化均方誤差（NMSE）。

# w5 q: _+ q3 @  B, C  b5 W圖4顯示了(a) AM的反饋強(qiáng)度和頻率失諧，以及(b) PM的調(diào)制指數(shù)和頻率失諧的NMSE函數(shù)。
" ^+ C2 V# w9 [  r4 k& Q" R
對于AM方案，在-4 GHz的負(fù)失諧和反饋強(qiáng)度η = 1時觀察到最佳性能，NMSE為0.12 ± 0.019。

利用PTA轉(zhuǎn)換的PM方案展現(xiàn)出更優(yōu)越的性能。在4 GHz的失諧和1.1的調(diào)制指數(shù)下，達(dá)到了0.024 ± 0.004的最佳NMSE。


5 ?* N! |6 d0 Q! j+ {& q圖5顯示了AM（SR = 10 Gsa/s）和PM（SR = 10, 100 Gsa/s）的NMSE作為輸入功率的函數(shù)。
# Z6 u- E2 w; q3 _3 `
PM方案在廣泛的輸入功率范圍內(nèi)優(yōu)于AM方案，展現(xiàn)出更高的性能和更好的功率效率。即使在低輸入功率（-10 dBm）下，PM方案也達(dá)到了0.041的NMSE，展示了PTA機(jī)制的功率獨(dú)立性。

& Z! _* L1 @) }8 \7 J6 o2 P; N6 i優(yōu)勢和應(yīng)用
6 h% Z3 w0 }; I; U提出的基于PTA的激活函數(shù)具有幾個優(yōu)勢：
1.功率獨(dú)立性：即使在低輸入功率下也能保持非線性效應(yīng)，適合低功率應(yīng)用。
2.可重構(gòu)性：通過調(diào)整調(diào)制指數(shù)和頻率失諧，可以使用單個MRR實現(xiàn)各種激活函數(shù)。
3.高速操作：系統(tǒng)可以以高達(dá)2 Gsa/s的速率進(jìn)行處理（對于100 Gsa/s的采樣率），適合高速應(yīng)用。
, S9 B* n7 H1 n& y& ?4.集成：MRR的無源性質(zhì)使其與硅基光電子集成兼容，這對大規(guī)模神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)至為重要。
% v5 d5 y/ P1 P
; Y% E- h$ h! I- w這項技術(shù)的潛在應(yīng)用包括：
# U6 j/ l8 Y% E4 b1.光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：基于PTA的激活函數(shù)可用于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和前饋網(wǎng)絡(luò)，提供額外的可訓(xùn)練元素。
- l3 Q3 Q1 T# h6 o2.復(fù)值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：PTA機(jī)制可用于實現(xiàn)復(fù)值A(chǔ)NNs的復(fù)雜激活函數(shù)。
3.全光信號處理：PTA非線性可用于諸如全光ASK到PSK轉(zhuǎn)換等任務(wù)。
4 |  q, q9 ~5 E3 [$ N- D) E4.穩(wěn)健光子結(jié)構(gòu)：基于PTA的激活函數(shù)的功率獨(dú)立性可以為硅基光電子結(jié)構(gòu)中的高光學(xué)損耗提供穩(wěn)健性。

結(jié)論
本文介紹了創(chuàng)新方法，利用無源光學(xué)諧振器中的相位到振幅轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)全光學(xué)、可重構(gòu)和功率無關(guān)的神經(jīng)激活函數(shù)。通過利用微環(huán)諧振器的非線性響應(yīng)，我們可以創(chuàng)建對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非常重要的各種激活函數(shù)。

7 H* V4 e0 |- M  A$ q& A' j與傳統(tǒng)的幅度調(diào)制方案相比，該系統(tǒng)在時延儲備計算方面表現(xiàn)出更優(yōu)越的性能。其功率獨(dú)立性、可重構(gòu)性和與硅基光電子技術(shù)的兼容性使其成為未來神經(jīng)形態(tài)計算系統(tǒng)的有力候選者。

' Y$ H6 i5 q) ?隨著該領(lǐng)域研究的進(jìn)展，有望看到全光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展，可能會產(chǎn)生更高效、更強(qiáng)大的人工智能系統(tǒng)，克服傳統(tǒng)電子實現(xiàn)的局限性。
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; m4 Q( ?# D7 x+ C. [" i* H參考文獻(xiàn)
[1] G. Sarantoglou, A. Bogris and C. Mesaritakis, "All-Optical, Reconfigurable, and Power Independent Neural Activation Function by Means of Phase Modulation," IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 60, no. 5, pp. 1-10, Oct. 2024, Art no. 8700206, doi: 10.1109/JQE.2024.3437353.
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  I" k5 ]  R" z. p深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)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(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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