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

逍遙設(shè)計自動化

引言
8 O* T# f' d4 V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。

- U6 z: D  e. T5 sANNs的關(guān)鍵方面是激活函數(shù)，為網(wǎng)絡(luò)引入非線性，使復雜的模式識別成為可能。在本文中探討創(chuàng)新方法，利用無源光學諧振器中的相位到振幅（PTA）轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)全光學、可重構(gòu)和功率無關(guān)的神經(jīng)激活函數(shù)。


; f- Y  N" ?! ?: u
相位到振幅轉(zhuǎn)換
這種方法的核心概念是在無源光學濾波器（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：
* N3 v4 L9 Z! P9 U6 R; `

4 [! ^3 ]- u6 J; n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。
: p) t2 i* y; j( s; R: C. b

圖1展示了相位梯度對基于微環(huán)諧振器漏端口的IIR光學濾波器透射率的影響。

光信號的頻率由相位編碼信息調(diào)制：

7 P4 n0 S7 X, c' O) n隨著光信號頻率因相位調(diào)制而變化，光學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，該響應與輸入功率無關(guān)，使其非常適合低功耗應用。
: l1 Q5 n6 z' V$ ?
/ ~5 d3 J8 H; f2 y2 z- t3 M作為可重構(gòu)光子神經(jīng)元的微環(huán)諧振器
: t. r4 l6 \& c0 [! }( D為了演示PTA轉(zhuǎn)換機制，我們將使用微環(huán)諧振器（MRR）作為光學濾波器。MRR漏端口的傳遞函數(shù)為：


/ ], ^$ R/ D& t, ^0 D; j: q+ L
其中s = √k，c = √(1-k)，k是耦合系數(shù)，ζ = γ exp(-j(2π(f + df)Tring))。
8 d4 p" M, }, s) J9 A
0 t% H3 {2 A  i* G9 B
" C# @+ {* B6 Y# ~2 p1 q圖2
& m/ l- {3 b+ D6 N% H% q* m
圖2顯示了通過PTA轉(zhuǎn)換從單個MRR節(jié)點的漏端口獲得的不同激活函數(shù)：
(a) Soft-plus函數(shù)
(b) Sigmoid函數(shù)
(c) 高斯函數(shù)
( m, f, }4 W" b1 K+ ]" W2 I5 b
+ u! ?( g, B8 l5 s7 h3 B: s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)。
6 |, x# ~& N1 s0 Y% z4 L) ~
/ w) Z& ~# q' W) V3 u時延儲備計算
為了展示PTA轉(zhuǎn)換機制的實際應用，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測。
% s5 j. j# k  {$ ?6 v/ @
1 f1 [! `1 C0 a
8 I8 M& {; @# P: x# R/ I5 j& x圖3展示了用于Santa Fe混沌序列一步預測的TDRC設(shè)置。
8 d/ i& v" _% v: F
TDRC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行維度擴展。
) V1 _5 ]+ w: }, M7 C  q2.數(shù)模轉(zhuǎn)換：處理后的輸入轉(zhuǎn)換為模擬信號用于光學調(diào)制。
$ n0 T4 W' ]; J: z- O9 i( I: P3.光學調(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。
  c% I2 @) [7 p* W. o4.光子儲備：帶有外部反饋環(huán)的MRR為儲備提供物理存儲。
4 [3 M# [' K1 l/ q5.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。
8 u6 Z/ \3 M% ^6.線性回歸：處理后的數(shù)據(jù)用于進行一步預測。

性能評估
, {. J2 f" |) R6 [+ Y2 o) F& }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。使用的性能指標是歸一化均方誤差（NMSE）。
1 F9 a- f2 ^, U$ r1 y
圖4顯示了(a) AM的反饋強度和頻率失諧，以及(b) PM的調(diào)制指數(shù)和頻率失諧的NMSE函數(shù)。
6 I% T7 u8 A2 }4 v% F
對于AM方案，在-4 GHz的負失諧和反饋強度η = 1時觀察到最佳性能，NMSE為0.12 ± 0.019。
* r2 w  _" q, N( `$ C
7 {' P. w* H' x: h; W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，達到了0.024 ± 0.004的最佳NMSE。
- @. L6 N& x# C( T& I0 m

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)。

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方案也達到了0.041的NMSE，展示了PTA機制的功率獨立性。

優(yōu)勢和應用
: f& z8 q& W: \! u提出的基于PTA的激活函數(shù)具有幾個優(yōu)勢：
4 u& G$ Y0 K2 u; A8 a- L3 n1.功率獨立性：即使在低輸入功率下也能保持非線性效應，適合低功率應用。
; T2 k( F4 j% v) _6 F2.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)。
$ m& [9 I3 U# b: v, @3.高速操作：系統(tǒng)可以以高達2 Gsa/s的速率進行處理（對于100 Gsa/s的采樣率），適合高速應用。
; T  {1 j: a9 E4.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。

這項技術(shù)的潛在應用包括：
: E, c! |& o& R2 ?' Q7 M1.光學神經(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)，提供額外的可訓練元素。
; @/ _+ W2 b4 d: v4 a' J0 R2.復值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：PTA機制可用于實現(xiàn)復值A(chǔ)NNs的復雜激活函數(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。
" r# C: V- L$ b/ R3 r( s4.穩(wěn)健光子結(jié)構(gòu)：基于PTA的激活函數(shù)的功率獨立性可以為硅基光電子結(jié)構(gòu)中的高光學損耗提供穩(wěn)健性。
9 f6 Q+ I/ b* B
結(jié)論
本文介紹了創(chuàng)新方法，利用無源光學諧振器中的相位到振幅轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)全光學、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，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)。
+ ?; Z& E" S) \& T
5 A& ~7 Q0 s7 |$ k6 \6 Y. S  ~. H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。

) |5 i- b# v2 ?隨著該領(lǐng)域研究的進展，有望看到全光學神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進一步發(fā)展，可能會產(chǎn)生更高效、更強大的人工智能系統(tǒng)，克服傳統(tǒng)電子實現(xiàn)的局限性。
9 `, R0 a  n# K" o
- `. u+ q  s1 W9 R參考文獻
[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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