[發明專利]一種兩個互耦VCSELs光子神經間可控的抑制spiking信號的傳輸結構

在審

• 申請號: 201711217416.9
• 申請日: 2017-11-28
• 公開（公告）號: CN107808192A
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 李碩;鄧濤;林曉東;吳正茂;夏光瓊;樊利;高子葉;楊文艷;馬紹玲;唐曦
• 申請（專利權）人: 西南大學
• 主分類號: G06N3/04
• 分類號: G06N3/04;G06N3/06;G06N3/063
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司11246
• 代理人: 夏艷

結構領域

本發明屬于信息結構領域，尤其涉及一種兩個互耦VCSELs光子神經間可控的抑制spiking信號的傳輸結構。

背景技術

人工神經網絡涉及信息科學、腦科學、神經心理學等多個學科，是對人腦或生物神經網絡的抽象和建模，是智能科學和計算智能的重要組成部分，它主要以腦科學和認知神經科學的研究成果為基礎，從而為解決復雜問題和實現自動控制提供有效途徑，因而自20世紀80年代以來已經逐步成為人工智能領域的研究熱點。

目前，歐美等發達國家高度重視人工神經網絡領域的發展，并先后啟動了多項重點研究計劃。早在2005年，歐盟啟動了一項在超級計算機“藍基因”上以實現虛擬腦為目標的科學計劃。隨后，他們于2013年將“人腦計劃”確定為未來新興技術旗艦項目之一，與此同時，美國于2013年投資一億美元啟動了名為“使用先進革新型神經技術的人腦研究”的腦計劃項目。

在上述計劃項目的支撐下，神經網絡領域已經取得了一系列標志性的重大研究成果，如斯坦福大學的Neurogrid、IBM公司的 Truenorth、海德爾堡大學的HICANN、曼徹斯特大學的 Neuromorphic芯片等。這些重要成果已經證實了人工神經網絡技術的巨大潛力，并大大推動了未來信息處理器件的發展。然而，目前人工神經網絡模型的相關研究主要聚焦在CMOS模擬電路、現代超大集成電路等電學的實現方式，雖然這些仿神經技術能有效處理生物神經的活動行為，但上述仿神經系統受帶寬、距離、功耗的限制而阻礙了其應用范圍。

在近年來，基于半導體光放大器、光纖激光器、光子晶體腔、半導體激光器等的光子神經模型被相繼提出，這些光子神經模型可激發出比生物神經快7到9個量級的響應信號。

特別的是，美國普林斯頓亞歷山大·泰特團隊于2016年研制出了全球首枚光子神經形態芯片，并證明該芯片能以超快速度計算。上述成果已經充分證實了光子神經模型的巨大應用潛力。就基于半導體激光器的光子神經模型而言，不同的光子神經模型已經被提出，如基于微環、量子點、兩段式、垂直腔面發射激光器 (VCSEL)的光子神經模型。

在這些基于半導體激光器的光子神經模型中，因VCSEL具有低成本、低能耗、易于集成到二維陣列、與光纖高的耦合效率等一些獨特的優勢，因而其相應的光子神經模型已經受到了廣泛的關注。

現在神經網絡的發展方向為探索神經網絡中各神經元之間的相互關聯、提高神經元的信息處理速率。

脈沖神經網絡(Spiking Neuron Networks SNN)

spiking神經網絡被譽為“第三代神經網絡”，它是能夠有效模擬生物神經元之間信息隨時間連續傳遞的非線性系統。該系統采用時間編碼方式組織信息，可以模擬真實生物鐘的信息處理機制，比傳統神經網絡更接近實際生物神經系統。

脈沖神經網絡的任務是把輸入神經元的脈沖序列加工，產生新的脈沖序列并且輸出神經元。眾所周知，生物神經元在外部刺激下可能激發或者抑制spiking信號，且這種spiking響應能在兩個神經元之間傳輸，神經網絡中各神經元的spiking響應特性對研究神經元之間的相互關聯性及神經元的信息處理速率具有積極作用。因此，對于VCSEL光子神經而言，探索這種神經元之間可控的spiking信號抑制響應傳輸的相關關鍵技術研究顯得尤為重要。

發明內容

本發明的目的主要基于目前人工神經網絡發展存在的問題，提供一種兩個互耦VCSELs光子神經間可控的抑制spiking信號的傳輸結構，能夠實現兩個光子神經間抑制的spikes信號的雙向傳輸。

本發明采用如下結構方案：

一種兩個互耦VCSELs光子神經間可控的抑制spiking信號的傳輸結構，分為三大模塊：外部擾動信號產生模塊、VCSEL光子神經模塊、控制及分析測試模塊；

其中，外部擾動信號產生模塊包括可調諧激光器、偏振控制器、馬赫-曾德爾調制器、信號發生器、隔離器；

VCSEL光子神經模塊包括1300nmVCSEL、溫度控制器、電流控制器；

控制及分析測試模塊，其包括光譜儀、實時示波器、光功率計；

分析控制模塊計算機內部通過Labview軟件與其他各模塊相連接并實現控制，同時，計算機也通過數據采集卡與該模塊中的各分析儀器相連接，因而可以實現對外部擾動信號產生模塊和 VCSEL光子神經模塊的參量的實時控制，同時可實現對光子神經輸出的spiking信號的采集與分析。

本發明具有以下優點：