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申请/专利权人：西南大学

摘要：本发明提供一种两个互耦VCSELs光子神经间可控的抑制spiking信号的传输结构，它包括外部扰动信号产生模块、VCSEL光子神经模块、控制及分析测试模块。所述的外部扰动信号产生模块包括可调激光器、偏振控制器、信号发生器、马赫‑曾德尔调制器、隔离器，所述的VCSEL光子神经模块包括VCSEL、温度控制器、电流控制器。控制及分析测试模块，包括光谱仪、实时示波器、光功率计。本发明的一种两个互耦VCSELs光子神经间可控的抑制spiking信号的传输结构采用互耦结构，可实现两个光子神经间抑制spiking信号的双向传输。

主权项：1.一种两个互耦VCSELs光子神经间可控的抑制spiking信号的传输结构，其特征在于，它包括外部扰动信号产生模块、VCSEL光子神经模块、控制及分析测试模块；所述的外部扰动信号产生模块包括可调激光器、偏振控制器、信号发生器、马赫-曾德尔调制器、隔离器，所述的VCSEL光子神经模块包括VCSEL、温度控制器、电流控制器；可调激光器I1发生的光信号与偏振控制器I2光信号相连、偏振控制器I2与马赫-曾德尔调制器I4光信号相连，马赫-曾德尔调制器I4与偏振控制器II5光信号相连，偏振控制器II5与隔离器I6光信号相连、隔离器I6与耦合器I7光信号相连，耦合器I7与VCSELI10光信号相连，信号发生器I3与马赫-曾德尔调制器I4电信号相连，电流控制器I8与VCSELI10电信号连接，温度控制器I9与VCSELI10电信号相连；可调激光器II14发生的光信号与偏振控制器V15光信号连接，偏振控制器V15与马赫-曾德尔调制器II16光信号连接，马赫-曾德尔调制器II16与偏振控制器IV18光信号连接，偏振控制器IV18与隔离器II19光信号连接，隔离器II19与耦合器III20光信号相连，耦合器III20与VCSELII21光信号相连，信号发生器II17与马赫-曾德尔调制器II16电信号相连，电流控制器II23与VCSELII21电信号连接，温度控制器II22与VCSELII21电信号相连；耦合器I7与偏振控制器III11光信号连接，偏振控制器III11与耦合器II12光信号相连，耦合器II12与可调衰减器13光信号相连，可调衰减器13与耦合器III20光信号相连。

全文数据：一种两个互輔VCSELs光子神经间可控的抑制spiking信号的传输结构[0001]结构领域[0002]本发明属于信息结构领域，尤其涉及一种两个互耦VCSELs光子神经间可控的抑制spiking信号的传输结构。背景技术[0003]人工神经网络涉及信息科学、脑科学、神经心理学等多个学科，是对人脑或生物神经网络的抽象和建模，是智能科学和计算智能的重要组成部分，它主要以脑科学和认知神经科学的研究成果为基础，从而为解决复杂问题和实现自动控制提供有效途径，因而自20世纪80年代以来已经逐步成为人工智能领域的研宄热点。[0004]目前，欧美等发达国家高度重视人工神经网络领域的发展，并先后启动了多项重点研宄计划。早在2005年，欧盟启动了一项在超级计算机“蓝基因”上以实现虚拟脑为目标的科学计划。随后，他们于2013年将“人脑计划”确定为未来新兴技术旗舰项目之一，与此同时，美国于2013年投资一亿美元启动了名为“使用先进革新型神经技术的人脑研宄”的脑计划项目。[0005]在上述计划项目的支撑下，神经网络领域已经取得了一系列标志性的重大研究成果，如斯坦福大学的如11]：〇8；1：丨1、113]\!公司的1'；1：11611〇1'1:11、海德尔堡大学的11]^刪、曼彻斯特大学的Neuromorphic芯片等。这些重要成果己经证实了人工神经网络技术的巨大潜力，并大大推动了未来信息处理器件的发展。然而，目前人工神经网络模型的相关研宄主要聚焦在CMOS模拟电路、现代超大集成电路等电学的实现方式，虽然这些仿神经技术能有效处理生物神经的活动行为，但上述仿神经系统受带宽、距离、功耗的限制而阻碍了其应用范围。[0006]在近年来，基于半导体光放大器、光纤激光器、光子晶体腔、半导体激光器等的光子神经模型被相继提出，这些光子神经模型可激发出比生物神经快7到9个量级的响应信号。[0007]特别的是，美国普林斯顿亚历山大•泰特团队于2016年研制出了全球首枚光子神经形态芯片，并证明该芯片能以超快速度计算。上述成果已经充分证实了光子神经模型的巨大应用潜力。就基于半导体激光器的光子神经模型而言，不同的光子神经模型已经被提出，如基于微环、量子点、两段式、垂直腔面发射激光器（VCSEL的光子神经模型。[0008]在这些基于半导体激光器的光子神经模型中，因VCSEL具有低成本、低能耗、易于集成到二维阵列、与光纤高的耦合效率等一些独特的优势，因而其相应的光子神经模型已经受到了广泛的关注。[0009]现在神经网络的发展方向为探索神经网络中各神经元之间的相互关联、提高神经元的信息处理速率。[0010]脉冲神经网络（SpikingNeuronNetworksS_[0011]spiking神经网络被誉为“第三代神经网络”，它是能够有效模拟生物神经元之间信息随时间连续传递的非线性系统。该系统采用时间编码方式组织信息，可以模拟真实生物钟的信息处理机制，比传统神经网络更接近实际生物神经系统。[0012]脉冲神经网络的任务是把输入神经元的脉冲序列加工，产生新的脉冲序列并且输出神经元。众所周知，生物神经元在外部刺激下可能激发或者抑制spiking信号，且这种spiking响应能在两个神经元之间传输，神经网络中各神经元的spiking响应特性对研宄神经元之间的相互关联性及神经元的信息处理速率具有积极作用。因此，对于VCSEL光子神经而言，探索这种神经元之间可控的spiking信号抑制响应传输的相关关键技术研究显得尤为重要。发明内容[0013]本发明的目的主要基于目前人工神经网络发展存在的问题，提供一种两个互耦VCSELs光子神经间可控的抑制spiking信号的传输结构，能够实现两个光子神经间抑制的spikes信号的双向传输。[0014]本发明采用如下结构方案：[0015]一种两个互耦VCSELs光子神经间可控的抑制spiking信号的传输结构，分为三大模块:外部扰动信号产生模块、VCSEL光子神经模块、控制及分析测试模块；[0016]其中，外部扰动信号产生模块包括可调谐激光器、偏振控制器、马赫-曾德尔调制器、信号发生器、隔离器；[0017]VCSEL光子神经模块包括1300nmVCSEL、温度控制器、电流控制器；[0018]控制及分析测试模块，其包括光谱仪、实时示波器、光功率计；[0019]分析控制模块计算机内部通过Labview软件与其他各模块相连接并实现控制，同时，计算机也通过数据采集卡与该模块中的各分析仪器相连接，因而可以实现对外部扰动信号产生模块和VCSEL光子神经模块的参量的实时控制，同时可实现对光子神经输出的spiking信号的米集与分析。[0020]本发明具有以下优点：[0021]1、本spiking信号传输结构采用1300nmVCSEL作为光子神经模型，可获得比生物神经响应快至少8个量级的spiking信号。[0022]2、本spiking信号传输结构采用1300nmVCSEL作为光子神经模型，可通过控制外部扰动信号的强度、信号持续时间及扰动信号与VCSEL输出信号间的失谐量来有效抑制光子神经激发的spiking信号。[0023]3、本spiking信号传输结构采用互耦结构，可实现两个光子神经间抑制的sPiking信号的双向传输，实现两个神经元之间信息的交互。[0024]4、本spiking信号传输结构采用的VCSEL的工作波长为1300nm，可与现有光纤系统兼容，有利于推动VCSEL光子神经的实用化进程。[0025]5、本spiking信号传输结构采用1300nmVCSEL作为光子神经模型，具有成本低、能耗小等特点，有利于构建光子神经网络。、、[0026]6.本spiking信号传输结构有利于探索神经网络中各神经元之间信息传递的关联性，为构建基于VCSELs光子神经的神经网络结构提供理论和技术支持。附图说明[0027]图1为本发明的结构框图；[0028]图2为整个系统具体的工作原理框图。[0029]图中：1_可调激光器I、2-偏振控制器I、3-信号发生器I、4-马赫-曾德尔调制器I、5-偏振控制器n、6-隔离器1、7-耦合器I、8-电流控制器I、9_温度控制器I、10-VCSELI、11-偏振控制器m、12-親合器n、13-可调衰减器、14-可调激光器n、15-偏振控制器v、16-马赫-曾德尔调制器n、17-信号发生器n、18-偏振控制器IV、19-隔离器n、20-耦合器n、21-VCSELn、22-温度控制器n、23-电流控制器n、24-光谱仪、25-实时示波器、26-光功率计、27-数据分析模块、28-控制调节模块。具体实施方式[0030]为使本发明的目的、结构方案和优点更加清楚，下面对本发明中的结构方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0031]一种两个互耦VCSELs光子神经间可控的抑制spiking信号的传输结构的基本原理：[0032]首先利用外部连续注入光使第一个VCSEL光子工作在连续的spiking工作区，然后在连续注入光中加入外部扰动信号，通过控制扰动信号的强度和持续时间，该VCSEL光子神经产生的spikes信号在整个外部扰动信号工作区被完全抑制。这个VCSEL光子神经产生的可抑制的spikes信号注入到第二个VCSEL光子神经中，通过适当调节注入光的强度、失谐量以及偏振态可使第二个VCSEL光子神经产生与第一个VCSEL光子神经类似的可抑制的spikes信号。由于该系统采用互耦的对称结构，因而与第一个VCSEL光子神经类似，第二个VCSEL光子神经也可以在外部扰动信号作用下产生可抑制的spikes信号，这个信号注入到第一个VCSEL光子神经后同样可以使第一个VCSEL光子神经获得可抑制的spikes信号。由此可见，两个VCSEL光子神经之间可实现抑制的spiking信号的双向传输。[0033]如图1-2所示：[0034]实施例1:本发明的第一种工作方式：[0035]一种两个互耦VCSELs光子神经间可控的抑制spiking信号的传输结构，它包括外部扰动信号产生模块、VCSEL光子神经模块、控制及分析测试模块；[0036]所述的外部扰动信号产生模块包括可调激光器、偏振控制器、信号发生器、马赫-曾德尔调制器、隔离器，所述的VCSEL光子神经模块包括VCSEL、温度控制器、电流控制器；[0037]可调激光器II发生的光信号通过偏振控制器I2、马赫-曾德尔调制器14、偏振控制器115、隔离器16、耦合器17注入VCSEL110,并且调节电流控制器18,从而控制VCSELI10的电流大小、调节温度控制器19从而控制VCSELI10的温度，使VCSELI10产生连续的spiking信号，调节信号发生器13,控制马赫-曾德尔调制器14,从而调节外部扰动信号的强度和持续时间，达到VCSEL光子神经产生的spikes信号在整个外部扰动信号工作区被完全抑制；[0038]同时，VCSELI10产生的光信号通过耦合器17、偏振控制器nm、耦合器ni2、可调衰减器13、耦合器HI20注入VCSELII21，通过调节可调衰减器13,电流控制器H22和温度控制器1123，从而使VCSELII21产生与第一个VCSELI10光子神经类似的可抑制的spikes信号。[0039]本发明实施例1的控制方式采用计算机控制，计算机内部包括数据分析模块27和控制调节模块28,计算机通过数据采集卡采集光谱仪24、实时示波器25、光功率计26的数据fe息。[0040]由于耦合器17、耦合器n12、耦合器ni20分别与光谱仪24光信号相连，耦合器17、耦合器n12、耦合器HI20分别与实时示波器25光信号相连，耦合器17、耦合器n12、耦合器III20分别与光功率计26光信号相连，计算机即可获得两个VCSELs光子神经输出信号的基本伯息。[0041]而计算机又通过数据采集卡与可调激光器II、信号发生器n3、电流控制器18、温度控制器19相连，又可得知各模块的基本参数，通过计算机内部的Labview软件管理控制模块，即可调节实现产生的spikes信号在整个外部扰动信号工作区被完全抑制。[0042]实施例2本发明的第二种工作方式：[0043]可调激光器II14发生的光信号通过偏振控制器V15、马赫-曾德尔调制器II16、偏振控制器IV18、隔离器1119、耦合器1120注入VCSELII21，调节信号发生器1117,通过控制马赫-曾德尔调制器n16，从而调节外部扰动信号的强度和持续时间，调节电流控制器n23从而调节电流控制VCSELn21的电流大小，调节温度控制器1122,从而控制温度调节VCSEL1121的温度高低，达到使VCSELH21产生在外部扰动信号工作区被完全抑制的spikes信号；[0044]同理，VCSELII21产生的光信号通过耦合器1120、可调衰减器13、耦合器II12、耦合器17注入VCSELI10,通过调节可调衰减器13,调节电流控制器18、调节温度控制器19,从而使VCSEL110产生与VCSELII21第一个光子神经类似的可抑制的spikes信号。[0045]同上，实施例2的控制管理方式同实施例1相同[0046]本发明实施例2的控制方式采用计算机控制，计算机内部包括数据分析模块27和控制调节模块28,计算机通过数据采集卡采集光谱仪24、实时示波器25、光功率计26的数据信息。[0047]由于耦合器17、耦合器n12、耦合器m20分别与光谱仪24光信号相连，耦合器17、耦合器n12、耦合器IH20分别与实时示波器25光信号相连，耦合器17、耦合器n12、耦合器m20分别与光功率计26光信号相连，计算机即可获得两个VCSELs光子神经输出信号的基本信息。[0048]而计算机又通过数据采集卡与可调激光器n14、信号发生器n17、温度控制器n22、电流控制器II23相连，又可得知各模块的参数设定值，通过计算机内部的Labview软件管理控制模块，即可调节实现产生的spikes信号在整个外部扰动信号工作区被完全抑制。[0049]本发明的结构：[0050]一种两个互耦VCSELs光子神经间可控的抑制spiking信号的传输结构，它包括外部扰动信号产生模块、VCSEL光子神经模块、控制及分析测试模块；[0051]所述的外部扰动信号产生模块包括可调激光器、偏振控制器、信号发生器、马赫-曾德尔调制器、隔离器，所述的VCSEL光子神经模块包括VCSEL、温度控制器、电流控制器；[0052]可调激光器II发生的光信号与偏振控制器12光信号相连、偏振控制器12与马赫-曾德尔调制器14光信号相连，马赫-曾德尔调制器14与偏振控制器115光信号相连，偏振控制器115与隔离器16光信号相连、隔离器I6与耦合器17光信号相连，耦合器n与VCSELI10光信号相连，信号发生器13与马赫-曾德尔调制器14电信号相连，电流控制器18与VCSELI10电信号连接、温度控制器19与VCSELI10电信号相连；[0053]可调激光器II14发生的光信号与偏振控制器VI5信号连接，偏振控制器V15与马赫-曾德尔调制器n16光信号连接，马赫-曾德尔调制器n16与偏振控制器ivis光信号连接，偏振控制器IV1S与隔离器nI9光信号连接，隔离器nI9与耦合器n2〇光信号相连，耦合器n2〇与vcselii2i光信号相连，信号发生器nn与马赫-曾德尔调制器nie电信号相连，电流控制器n23与VCSELII21电信号连接，温度控制器n22与VCSELn2l电信号相连；[0054]耦合器17与偏振控制器mil光信号连接，偏振控制器mil与耦合器n12光信号相连，耦合器n12与可调衰减器13光信号相连，可调衰减器13与耦合器ni2〇光信号相连。[0055]进一步的，还包括控制及分析测试模块，其包括光谱仪24、实时示波器25、光功率计26;[0056]耦合器17、耦合器n12、耦合器HI20分别与光谱仪24光信号相连，耦合器17、耦合器n12、耦合器HI20分别与实时示波器25光信号相连，耦合器17、耦合器n12、耦合器ni2〇分别与光功率计26光信号相连，光谱仪24、实时示波器25、光功率计26通过数据采集卡分别与安装有数据分析模块27和控制调节模块28的计算机相连，并通过计算机内部的Labview实现控制。[0057]进一步的，所述的可调激光器II、信号发生器113、电流控制器18、温度控制器19、可调激光器n14、信号发生器n17、温度控制器1122、电流控制器1123通过数据采集卡与安装有数据分析模块27和控制调节模块28的计算机相连，计算机通过内部的Labview软件控制管理上述各部分的参数设置，从而实现对系统的控制和实验数据的分析。[0058]进一步的，所述的¥05£1110、¥03£11121波长均为130〇11111。[0059]最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的结构方案，而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的结构方案进行修改，或者对其中部分结构特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应结构方案的本质脱离本发明各实施例结构方案的精神和范围。

权利要求：1.一种两个互耦VCSELs光子神经间可控的抑制spiking信号的传输结构，其特征在于，它包括外部扰动信号产生模块、VCSEL光子神经模块、控制及分析测试模块；所述的外部扰动信号产生模块包括可调激光器、偏振控制器、信号发生器、马赫-曾德尔调制器、隔离器，所述的VCSEL光子神经模块包括VCSEL、温度控制器、电流控制器；可调激光器I1发生的光信号与偏振控制器I2光信号相连、偏振控制器I2与马赫-曾德尔调制器14光信号相连，马赫-曾德尔调制器I⑷与偏振控制器n5光信号相连，偏振控制器n5与隔离器16光信号相连、隔离器16与耦合器I⑺光信号相连，耦合器I7与VCSELI10光信号相连，信号发生器I3与马赫-曾德尔调制器I4电信号相连，电流控制器I8与VCSELI10电信号连接，温度控制器I9与VCSELI10电信号相连；可调激光器n14发生的光信号与偏振控制器V15光信号连接，偏振控制器V15与马赫-曾德尔调制器n16光信号连接，马赫-曾德尔调制器n16与偏振控制器iv18光信号连接，偏振控制器IV18与隔离器n19光信号连接，隔离器n19与耦合器n20光信号相连，耦合器n20与VCSELn21光信号相连，信号发生器n17与马赫-曾德尔调制器n16电信号相连，电流控制器n23与VCSELn21电信号连接，温度控制器n22与VCSELn21电信号相连；耦合器I⑺与偏振控制器m11光信号连接，偏振控制器m11与耦合器n12光信号相连，耦合器n12与可调衰减器（13光信号相连，可调衰减器（13与耦合器瓜（20光信号相连。2.根据权利要求1所述的一种两个互耦VCSELs光子神经间可控的抑制spiking信号的传输结构，其特征在于，还包括控制及分析测试模块，其包括光谱仪24、实时示波器25、光功率计26;耦合器I7、耦合器II12、耦合器m20分别与光谱仪（24光信号相连，耦合器I7、耦合器n12、耦合器m20分别与实时示波器25光信号相连，$禹合器I⑺、稱合器n12、耦合器m20分别与光功率计26光信号相连，光谱仪24、实时示波器25、光功率计26通过数据采集卡分别与安装有数据分析模块27和控制调节模块28的计算机相连，并通过计算机内部的Labview实现控制。3.根据权利要求1所述的一种两个互耦VCSELs光子神经间可控的抑制spiking信号的传输结构，其特征在于，所述的可调激光器I1、信号发生器n3、电流控制器I8、温度控制器I9、可调激光器n14、信号发生器n17、温度控制器n22、电流控制器n23通过数据采集卡与安装有数据分析模块27和控制调节模块28的计算机相连，计算机通过内部的Labview软件控制管理上述各部分的参数设置，从而实现对系统的控制和实验数据的分析。4.根据权利要求1所述的一种两个互耦VCSELs光子神经间可控的抑制spiking信号的传输结构，所述的VCSELI10、VCSELII21波长均为I300nm。

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