專利名稱：基于光纖中受激拉曼散射效應的光神經(jīng)元及其建立方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光通信技術領域，尤其是涉及一種基于光纖中受激拉曼散射效應的光神經(jīng)元及其建立方法。
背景技術：
通過模擬人腦層次結(jié)構(gòu)，人們構(gòu)造出新的計算系統(tǒng)——人工神經(jīng)網(wǎng)絡。它是模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)，處理方式和系統(tǒng)功能的一類人工智能系統(tǒng)。由于人工神經(jīng)網(wǎng)絡是一種具有大量連接并行分布式處理器，使得它通過學習解決模式識別，感知和復雜環(huán)境中做出決策實際問題，比起只能按人事先編好的程序機械的執(zhí)行的計算機，它有更好的解決問題和適應環(huán)境的能力。由于VLSI技術的日趨成熟，目前比較成功的做法就是利用VLSI技術在硅片上直接實現(xiàn)各種神經(jīng)網(wǎng)絡模型。超大規(guī)模集成電路(VLSI)處理器的實現(xiàn)分為以下幾種:(I)模擬VLSI實現(xiàn)，模擬實現(xiàn)是從執(zhí)行一些網(wǎng)絡函數(shù)，勘測簡單的物理作用出發(fā)的。模擬電路的硬件實現(xiàn)形式固定，很難實現(xiàn)設計的復用性，模擬電路設計自動化和設計綜合軟件的發(fā)展也不如數(shù)字電路的成熟，這一切限制了模擬電路在神經(jīng)網(wǎng)絡硬件實現(xiàn)中的應用。(2)數(shù)字VLSI實現(xiàn)，數(shù)字電路容易實現(xiàn)模塊化設計且擴展性、適用性強，可以達到任意的設計精度，得到許多數(shù)字電路設計自動化工具的支持，對噪音和溫度的抗干擾性能也優(yōu)于模擬電路。但是在相對緊張的硅片面積和非線性激勵函數(shù)的實現(xiàn)一直是數(shù)字電路發(fā)展的瓶頸，影響了數(shù)字電路在硬件實現(xiàn)方面的應用。(3)模/數(shù)混合VLSI實現(xiàn)，數(shù)?；旌想娐方Y(jié)合了數(shù)字電路和模擬電路的特點，用模擬電路實現(xiàn)算法結(jié)構(gòu)，用數(shù)字存儲器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器替代電容實現(xiàn)神經(jīng)元權值的存儲。神經(jīng)元之間的數(shù)字通信降低了電路對噪音信號的敏感度，然而數(shù)?；旌想娐窇眠€依賴于數(shù)模設計自動化工具的發(fā)展。神經(jīng)網(wǎng)絡的關鍵因素是對神經(jīng)元的連接。由于電子引線不能互相短路交叉，引線靠近時會發(fā)生耦合，高速電脈沖在引線上傳播時要發(fā)生色散和延遲，以及電子器件的扇入和扇出系數(shù)較低等問題，使得高密度的電子互連在技術上有很大困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述現(xiàn)有技術中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、設計新穎合理、實現(xiàn)方便且成本低、功耗小，噪聲低，信息處理速度快的基于光纖中受激拉曼散射效應的光神經(jīng)元。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是:一種基于光纖中受激拉曼散射效應的光神經(jīng)兀，其特征在于:包括用于發(fā)射(N-1)個信號光的(N-1)個外部光發(fā)射機、用于發(fā)射第一本地信號光的第一本地光發(fā)射機、用于發(fā)射第二本地信號光的第二本地發(fā)射機和用于對電信號做減法運算處理的減法器，以及用于對(N-1)個外部光發(fā)射機發(fā)射的(N-1)個信號光和第一本地光發(fā)射機發(fā)射的第一本地信號光進行耦合的合波器，第I (N-1)個所述外部光發(fā)射機的輸出端分別通過(N-1)根第一光纖與所述合波器的第I (N-1)個輸入端相連接,第一本地光發(fā)射機的輸出端通過第二光纖與所述合波器的第N個輸入端連接，所述合波器的輸出端通過用于通過受激拉曼散射的非線性效應來進行功率累加求和運算的第三光纖連接有用于濾出經(jīng)過功率累計求和運算后的第一本地信號光的光濾波器，所述光濾波器的輸出端通過第四光纖連接有用于將經(jīng)過功率累計求和運算后的第一本地信號光轉(zhuǎn)換為電信號的第一光電轉(zhuǎn)換器，第二本地光發(fā)射機的輸出端通過第五光纖連接有用于將第二本地發(fā)射機輸出的第二本地信號光轉(zhuǎn)換為電信號的第二光電轉(zhuǎn)換器，所述第一光電轉(zhuǎn)換器的輸出端與所述減法器的正極輸入端電連接，所述第二光電轉(zhuǎn)換器的輸出端與所述減法器的負極輸入端電連接，所述減法器的輸出端電連接有用于將電信號轉(zhuǎn)換為光信號輸出的激光二極管，其中，N為合波器的信道總數(shù)，(N-1)個所述外部光發(fā)射機的輸出光子通量與所述第一本地光發(fā)射機的輸出光子通量相等。上述的基于光纖中受激拉曼散射效應的光神經(jīng)元，其特征在于:所述光神經(jīng)元的權值為正，(N-1)個所述外部光發(fā)射機的中心波長和所述第一本地光發(fā)射機的中心波長An依次從小到大排列。

上述的基于光纖中受激拉曼散射效應的光神經(jīng)元，其特征在于:所述第一本地光發(fā)射機的中心波長Xn滿足頻移計算公式Av = (1/叉)一(1/1￥)，其中，I為(N-1)個所述外部光發(fā)射機的中心波長的平均值，Av為頻移量且Av的取值范圍為300CHT1 500CHT1。上述的基于光纖中受激拉曼散射效應的光神經(jīng)元，其特征在于:所述光神經(jīng)元的
權值有正有負，(N-1)個所述外部光發(fā)射機的中心波長中，有
權利要求
1.一種基于光纖中受激拉曼散射效應的光神經(jīng)兀，其特征在于:包括用于發(fā)射(N-1)個信號光的(N-1)個外部光發(fā)射機(1)、用于發(fā)射第一本地信號光的第一本地光發(fā)射機(2)、用于發(fā)射第二本地信號光的第二本地發(fā)射機(3)和用于對電信號做減法運算處理的減法器(4)，以及用于對(N-1)個外部光發(fā)射機(1)發(fā)射的(N-1)個信號光和第一本地光發(fā)射機(2)發(fā)射的第一本地信號光進行耦合的合波器(5)，第1 (N-1)個所述外部光發(fā)射機(1)的輸出端分別通過(N-1)根第一光纖(6)與所述合波器(5)的第1 (N-1)個輸入端相連接，第一本地光發(fā)射機(2)的輸出端通過第二光纖(7)與所述合波器(5)的第N個輸入端連接，所述合波器(5)的輸出端通過用于通過受激拉曼散射的非線性效應來進行功率累加求和運算的第三光纖(8 )連接有用于濾出經(jīng)過功率累計求和運算后的第一本地信號光的光濾波器(9)，所述光濾波器(9)的輸出端通過第四光纖(10)連接有用于將經(jīng)過功率累計求和運算后的第一本地信號光轉(zhuǎn)換為電信號的第一光電轉(zhuǎn)換器(11)，第二本地光發(fā)射機(3)的輸出端通過第五光纖(12 )連接有用于將第二本地發(fā)射機(3 )輸出的第二本地信號光轉(zhuǎn)換為電信號的第二光電轉(zhuǎn)換器(13),所述第一光電轉(zhuǎn)換器(11)的輸出端與所述減法器(4)的正極輸入端電連接，所述第二光電轉(zhuǎn)換器(13)的輸出端與所述減法器(4)的負極輸入端電連接，所述減法器(4)的輸出端電連接有用于將電信號轉(zhuǎn)換為光信號輸出的激光二極管(14)，其中，N為合波器(5)的信道總數(shù)，(N-1)個所述外部光發(fā)射機(1)的輸出光子通量與所述第一本地光發(fā)射機(2)的輸出光子通量相等。
2.按照權利要求1所述的基于光纖中受激拉曼散射效應的光神經(jīng)元，其特征在于:所述光神經(jīng)元的權值為正，(N-1)個所述外部光發(fā)射機(1)的中心波長和所述第一本地光發(fā)射機(2)的中心波長X N依次從小到大排列。
3.按照權利要求2所述的基于光纖中受激拉曼散射效應的光神經(jīng)元，其特征在于:所述第一本地光發(fā)射機(2)的中心波長An滿足頻移計算公式Δv=(l/λ) — (1/λN.),其中，.1為(N-1)個所述外部光發(fā)射機(1)的中心波長的平均值，Av為頻移量且Av的取值范圍為 300cm -1 500cm -1
4.按照權利要求1所述的基于光纖中受激拉曼散射效應的光神經(jīng)元，其特征在于:所述光神經(jīng)兀的權值有正有負，(N-1)個所述外部光發(fā)射機(1)的中心波長中,有N/2個的中心波長依次從小到大排列且均小于所述第一本地光發(fā)射機(2)的中心波長λN/2+1另外(N/2-1 )個的中心波長依次從小到大排列且均大于所述第一本地光發(fā)射機(2)的中心波長λN/2+1其中，N為偶數(shù)。
5.按照權利要求4所述的基于光纖中受激拉曼散射效應的光神經(jīng)元，其特征在于:所述第一本地光發(fā)射機(2)的中心波長2I1滿足頻移計算公式Δv=(l/λ1) — (1/λN/2+1),和Δv=(l/λN/2+1) — (1/λ2),其中，λ1為N/2個所述外部光發(fā)射機⑴的中心波長的平均值，N/2個所述外部光發(fā)射機(1)的中心波長依次從小到大排列且均小于所述第一本地光發(fā)射機(2)的中心波長λ2為(N/2-1 )個所述外部光發(fā)射機(1)的中心波長的平均值，(N/2-1 )個所述外部光發(fā)射機(I)的中心波長依次從小到大排列且均大于所述第一本地光發(fā)射機(2)的中心波長。
6.按照權利要求1所述的基于光纖中受激拉曼散射效應的光神經(jīng)元，其特征在于:所述減法器(4)由運算放大器Ul以及電阻R1、R2、R3和Rf構(gòu)成，所述運算放大器Ul的正極輸入端與所述電阻R2的一端和電阻R3的一端相接，所述電阻R2的另一端為所述減法器(4)的正極輸入端，所述電阻R3的另一端接地，所述運算放大器Ul的負極輸入端與所述電阻Rl的一端和電阻Rf的一端相接，所述電阻Rl的另一端為所述減法器(4)的負極輸入端，所述運算放大器Ul的輸出端與所述電阻Rf的另一端相接且為所述減法器(4)的輸出端。
7.按照權利要求1所述的基于光纖中受激拉曼散射效應的光神經(jīng)元，其特征在于:所述第三光纖(8)為高非線性光纖，所述高非線性光纖在1370nm 1700nm的波長范圍內(nèi)非線性系數(shù)范圍為lOW—iknT1 所述高非線性光纖在波長1550n m處的非線性系數(shù)為36.Zfknr1，所述高非線性光纖在1370nm 1700nm的波長范圍內(nèi)色散值范圍為0 0.6ps/(nm km)，所述高非線性光纖在1370nm 1700nm的波長范圍內(nèi)色散斜率范圍為-0.2 0.2。
8.—種如權利要求1所述光神經(jīng)元的建立方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 步驟一、分光神經(jīng)元的權值為正和有正有負兩種情況選取(N-1)個外部光發(fā)射機(I)和第一本地光發(fā)射機(2),具體為: 當權值為正時:首先選擇第一本地光發(fā)射機(2)和(N-1)個外部光發(fā)射機(I )，且(N-1)個所述外部光發(fā)射機(I)的中心波長和所述第一本地光發(fā)射機(2)的中心波長依次從小到大排列；所述第一本地光發(fā)射機(2)的中心波長X N與(N-1)個所述外部光發(fā)射機(I)的中心波長的平均值I滿足頻移計算公式Av = (l/1) —(1/2#),其中，Av為頻移量且Av的取值范圍為300CHT1 500CHT1 ； 當權值有正有負時:首先，選擇f個外部光發(fā)射機(1)，且f個所述外部光發(fā)射機(1)的中心波長依次從小到大排列；接著，選擇波長為第一本地光發(fā)射機(2)，且選擇 好的#個所述外部光發(fā)射機(I)的中心波長均小于所述第一本地光發(fā)射機(2)的中心 波長然后，選擇()所述外部光發(fā)射機(i 所述外部光發(fā)射機(I)的 中心波長依次從小到大排列且均大于所述第一本地光發(fā)射機(2)的中心波長、+1;所述第一本地光發(fā)射機(2)的中心波長~+1滿足頻移計算公—("、)和Au2 = HZAkJ - (IfJ2)，其中，7為與個所述外部光發(fā)射機(I)的中心波長的平均值 個所述外部光發(fā)射機(I)的中心波長依次從小到大排列且均小于所述第一本地光發(fā)射機(2)的中心波長J力()個所述外部光發(fā)射機(I)的中心波長的平均值，(f一I )個所述外部光發(fā)射機(1)的中心波長依次從小到大排列且均大于所述第一本地光發(fā)射機(2)的中心波長；步驟二、將(N-l)個所述外部光發(fā)射機(I)的輸出端分別通過(N-l)根第一光纖(6)連接到合波器(5)的第I (N-1)個輸入端上，將所述第一本地光發(fā)射機(2)的輸出端通過第二光纖(7)連接到合波器(5)的第N個輸入端上； 步驟三、所述合波器(5 )將(N-1)個所述外部光發(fā)射機(I)發(fā)射的信號光和第一本地光發(fā)射機(2)發(fā)射的第一本地信號光進行耦合后輸出； 步驟四、首先，選取第三光纖(8)，所述第三光纖(8)為高非線性光纖，所述高非線性光纖在1370nm 1700nm的波長范圍內(nèi)非線性系數(shù)范圍為lOWlnT1 ，所述高非線性光纖在波長1550n m處的非線性系數(shù)為36.。胃—1! —1，所述高非線性光纖在1370nm 1700nm的波長范圍內(nèi)色散值范圍為0 0.6ps/ (nm km)，所述高非線性光纖在1370nm 1700nm的波長范圍內(nèi)色散斜率范圍為-0.2 0.2 ;然后,將所述第三光纖(8)的一端與所述合波器(5 )的輸出端連接,所述合波器(5 )輸出的信號光通過第三光纖(8 )傳輸；當權值為正時，所述第三光纖(8)根據(jù)公式
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光纖中受激拉曼散射效應的光神經(jīng)元及其建立方法，包括外部光發(fā)射機、第一本地光發(fā)射機、第二本地發(fā)射機、減法器，合波器、通過受激拉曼散射的非線性效應來進行功率累加求和運算的第三光纖、光濾波器、第一光電轉(zhuǎn)換器、第二光電轉(zhuǎn)換器和激光二極管。其方法包括選取外部光發(fā)射機和第一本地光發(fā)射機，合波器對進行耦合輸出，選取第三光纖進行功率累加求和運算，選取光濾波器，選取第一光電轉(zhuǎn)換器，選取第二本地發(fā)射機和第二光電轉(zhuǎn)換器，構(gòu)建減法器，選取激光二極管將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。本發(fā)明設計新穎合理，實現(xiàn)方便且成本低，功耗小，噪聲低，信息處理速度快，可擴展性強，實用性強，使用效果好，便于推廣使用。
文檔編號H04B10/50GK103178901SQ201310045680
公開日2013年6月26日 申請日期2013年2月5日 優(yōu)先權日2013年2月5日
發(fā)明者鞏稼民, 左旭, 趙云, 冷斌, 袁心易, 李棟, 方健, 鞏明輝 申請人:西安郵電大學