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。
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ANNs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(shí)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)。
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相位到振幅轉(zhuǎn)換
- P3 F/ z2 F. B, Z( q$ a, M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：

6 T) ~/ f7 U% `) {& O; j
. r" @% ]! W, f- c/ N* P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。


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。
- t! _/ Z7 W& k; ?! O
光信號的頻率由相位編碼信息調(diào)制：
, q5 ^! k3 N0 y8 l, h) d
8 ^& F' w# A& S4 r8 H5 [" o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。

作為可重構(gòu)光子神經(jīng)元的微環(huán)諧振器
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：
* J- }  |0 R4 Y3 f* k* o) E2 `: Z4 _
! s$ z) k4 [$ e2 i/ ~5 d7 D. R, V$ b

其中s = √k，c = √(1-k)，k是耦合系數(shù)，ζ = γ exp(-j(2π(f + df)Tring))。

- }0 d. C; Q& q9 z  T
5 g3 d2 z/ g3 P2 E圖2
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+ f/ q3 g# N8 [4 X6 T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)：
: u+ \) h# A" E* Q(a) Soft-plus函數(shù)
' o$ G" o0 w* N4 i8 I" N(b) Sigmoid函數(shù)
2 ]0 b8 g: D" O6 i6 C& r(c) 高斯函數(shù)
* {$ h+ I( e/ n2 e; f) X, O) Y
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)。
$ o& r: I* O6 s5 A
時延儲備計算
為了展示PTA轉(zhuǎn)換機(jī)制的實(shí)際應(yīng)用，將實(shí)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。
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3 a- d  H9 a0 Z圖3展示了用于Santa Fe混沌序列一步預(yù)測的TDRC設(shè)置。
- u1 |/ l6 E% l; R- r" B
1 u% a" L5 \! m8 b7 v$ T$ X8 K! STDRC設(shè)置包括以下組件：
+ D2 z! c+ z) [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。
4 i1 K, z5 ?7 ~# X+ N2 W2.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。
; o/ F5 ^% A9 q' U# s$ m  X5 D+ _6 I/ p5.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。
7 _; n$ E7 R3 `8 N( e4 a6.線性回歸：處理后的數(shù)據(jù)用于進(jìn)行一步預(yù)測。
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性能評估
" _/ [8 j0 r) @4 |/ Y9 J6 q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）。

0 r2 E- `7 U$ G6 ^' v, p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)。

) D4 V7 Y: `7 u0 E. ?3 M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。
7 n& R0 Y% o: m3 C, x! a: T. B
2 o: q3 T' C( d4 \3 Q" w5 G* Q9 }4 n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。
4 v, @& @/ [- f

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)。
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3 j6 a7 j' o. J- ~% B/ m/ bPM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。

優(yōu)勢和應(yīng)用
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(shí)現(xiàn)各種激活函數(shù)。
8 P/ {3 C0 I6 I( u- W0 C3.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。
) r& J  ~% S% B6 Y8 k  \- S4.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(xiàng)技術(shù)的潛在應(yīng)用包括：
1.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。
2.復(fù)值神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：PTA機(jī)制可用于實(shí)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.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。

4 |+ C/ t$ I0 n; a3 s5 b結(jié)論
0 f5 _: m6 Q4 Y( \' H7 w+ _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(shí)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)。
" v; q4 z* X% O7 c
9 ~3 o4 t6 j+ l( E( ~+ e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。
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- D! N% }, ?$ ]- s, R. v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(shí)現(xiàn)的局限性。
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參考文獻(xiàn)
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2 ~3 N/ f; @% o3 t% u% U, S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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