基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光波包識(shí)別光電子集成芯片

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過強(qiáng)大的模式識(shí)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(shí)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(dú)特優(yōu)勢(shì)。本文探討光電子芯片如何實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以區(qū)分光波包，重點(diǎn)介紹儲(chǔ)備池計(jì)算架構(gòu)[1]。
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" \5 {# m1 U1 W1 ]5 u儲(chǔ)備池計(jì)算基礎(chǔ)
7 @& J* H# m: a0 F0 z: ~儲(chǔ)備池計(jì)算（RC）是一種獨(dú)特的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法，簡(jiǎn)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(yùn)算完成訓(xùn)練。RC架構(gòu)包含三個(gè)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(chǔ)備池（隱藏層）和生成最終結(jié)果的輸出層。
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圖1：儲(chǔ)備池計(jì)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。

RC的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)依賴于描述網(wǎng)絡(luò)如何隨時(shí)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(shí)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(shí)間相關(guān)信號(hào)。

光電子實(shí)現(xiàn)
0 h+ w$ E3 l4 ^# p$ r# A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(jì)光學(xué)組件。主要構(gòu)建模塊包括：

- L" P2 o- W9 c1. 方向耦合器：作為非線性激活函數(shù)，實(shí)現(xiàn)輸入和輸出光強(qiáng)度之間的平方根關(guān)系。

% l8 C! Z, S' J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）。

1 J, k7 S% @+ X; w4 N* Z, i2. 馬赫-曾德爾調(diào)制器：基于電信號(hào)調(diào)制輸入光，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
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3. 相移器：通過精細(xì)調(diào)節(jié)光干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重。
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3 O3 T& D, a  |& R" V4. 螺旋波導(dǎo)：提供光延遲線，幫助實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)備池計(jì)算系統(tǒng)的時(shí)間記憶特性。

3 q2 d4 F- i" h$ \( t( y# D圖3：光延遲線設(shè)計(jì)，顯示(a)螺旋波導(dǎo)布局示意圖和(b)不同波導(dǎo)長(zhǎng)度的損耗特性測(cè)量結(jié)果。

# P. o3 g; U+ c1 {1 S" s芯片設(shè)計(jì)與制造
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(tái)上制造。芯片集成多個(gè)組件：

7 i) M2 L5 r. Z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(cè)量裝置。
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波導(dǎo)設(shè)計(jì)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�。方向耦合器通過精確控制波導(dǎo)之間的間隔來實(shí)現(xiàn)所需的耦合比。
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* a% g+ x1 J8 b, y3 p系統(tǒng)性能
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：
) L- G8 D$ [- g
: @( \' ^$ Z# g& K4 J圖5：系統(tǒng)性能展示(a)目標(biāo)輸出，(b)輸入電信號(hào)，(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。
5 Q3 i$ D# I" U+ a5 l( e3 h
+ T, b1 e% P+ \5 H: b" A2 C9 u9 T芯片在3千兆赫茲運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)：
0 L1 n1 i: e9 G/ p7 x不同輸入模式之間的最大消光比為7.62分貝
& w* k  F8 A, z# b) r在1585.195納米波長(zhǎng)處總插入損耗為37.1分貝
: ]6 r7 t9 M/ }' n. C. E相移器調(diào)制帶寬為25.6千兆赫茲
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圖6：在1585.195納米波長(zhǎng)下的輸出功率測(cè)量，顯示系統(tǒng)對(duì)不同輸入信號(hào)和相移器電壓的響應(yīng)。

8 ^" b: m4 Y$ b$ M! g# n; K這種光電子實(shí)現(xiàn)的主要優(yōu)勢(shì)之一是速度 - 電子計(jì)算機(jī)可能需要多個(gè)時(shí)鐘周期來執(zhí)行必要的計(jì)算，而光電子芯片可以在光通過器件的時(shí)間內(nèi)（約121.8皮秒）處理信號(hào)。

未來發(fā)展方向
$ {+ _+ C9 z$ P( K; p) b  J; u當(dāng)前設(shè)計(jì)可以通過以下方面進(jìn)行改進(jìn)：
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
4 n; c4 |, W6 r$ Z( n: l3 Z7 F( j實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的模式識(shí)別任務(wù)
$ j3 e: f) i3 [/ ^6 C, X減少光學(xué)損耗以提高系統(tǒng)效率
% T( X; v+ o" e
: g( y( P2 ~  U( X3 v3 J+ M9 m光電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的成功演示為高速光信號(hào)處理和模式識(shí)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(huì)出現(xiàn)。

本文概述了如何在光電子集成線路中實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)備池計(jì)算原理，展示了光電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)現(xiàn)高速模式識(shí)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(jì)的結(jié)合，使這些系統(tǒng)能夠直接在光域處理光信號(hào)，相比傳統(tǒng)電子實(shí)現(xiàn)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
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4 u: |7 r  C' H參考文獻(xiàn)
[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.
8 r5 B; I* I6 Q2 M% |5 }+ E
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