本申請(qǐng)屬于硅基光子學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于偏振控制的mzi光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法及集合端口。

背景技術(shù)：

1、隨著信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高速、低功耗的數(shù)據(jù)處理需求日益增長，傳統(tǒng)電子計(jì)算方法逐漸面臨瓶頸。與此同時(shí)，光子學(xué)作為一種新興的信息處理手段，因其高速度、大帶寬和低能耗的優(yōu)勢(shì)，正逐漸成為解決上述挑戰(zhàn)的重要候選者。在傳統(tǒng)的onn設(shè)計(jì)中，芯片的面積和能耗通常隨著輸入矩陣維度的增加而呈二次方增長。而通過結(jié)合mzi和衍射元件的設(shè)計(jì)，onn芯片的面積和能耗與輸入矩陣維度的關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性關(guān)系，從而顯著提升了集成度并降低了能耗。

2、當(dāng)前，基于onn的光計(jì)算在功能實(shí)現(xiàn)、器件尺寸、工作環(huán)境、可重構(gòu)性等方面面臨諸多關(guān)鍵挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)制約著光計(jì)算的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化。要實(shí)現(xiàn)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的光計(jì)算器件，還有很長的路要走。

3、mach-zehnder?interferometer(mzi)是構(gòu)建光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元，通過調(diào)整光程差來調(diào)制光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)線性變換。然而，現(xiàn)有mzi光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在擴(kuò)展性和集成度上存在挑戰(zhàn)。隨著系統(tǒng)規(guī)模的增加，光電協(xié)同問題變得更加突出，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度和成本增加。此外，現(xiàn)有技術(shù)在非相干光環(huán)境中的應(yīng)用受限，影響了onn的實(shí)用性和靈活性。光的偏振特性為光計(jì)算提供了額外的調(diào)控維度，但現(xiàn)有技術(shù)對(duì)偏振的利用不足，限制了光計(jì)算性能的進(jìn)一步提升。

4、傳統(tǒng)的基于馬赫-曾德爾干涉儀(mzi)的光學(xué)處理器在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜矩陣運(yùn)算時(shí)面臨幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：首先是端口數(shù)量有限、偏振控制能力不足，制約了可處理的數(shù)據(jù)維度，導(dǎo)致難以充分利用光信號(hào)的所有特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述背景技術(shù)中存在的缺陷和不足，本發(fā)明提出了一種創(chuàng)新性的解決方案，即通過設(shè)置mzi的偏振狀態(tài)并拓展其端口個(gè)數(shù)，從而構(gòu)建一個(gè)多端口、多功能的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。這一改進(jìn)不僅增加了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，為實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的線性變換提供了可能。其技術(shù)方案為：

2、一種基于偏振控制的mzi光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，對(duì)傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的權(quán)重矩陣w進(jìn)行奇異值分解得到酉矩陣和對(duì)角矩陣，利用多個(gè)mzi單元組合的方式，采用酉矩陣或和對(duì)角矩陣結(jié)構(gòu)，構(gòu)建光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

3、優(yōu)選的，每個(gè)mzi單元包括至少兩個(gè)耦合器和一個(gè)相移器，前端耦合器的輸入端設(shè)置偏振控制器，實(shí)現(xiàn)端口擴(kuò)展，假設(shè)構(gòu)建n*n的酉矩陣架構(gòu)，需要個(gè)mzi單元，n為大于2的自然數(shù)。

4、優(yōu)選的，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的權(quán)重矩陣w進(jìn)行奇異值分解，分解為酉矩陣u、對(duì)角矩陣σ和酉矩陣v的共軛即通過多個(gè)mzi單元拓?fù)浼?jí)聯(lián)的方式構(gòu)建酉矩陣u和對(duì)角矩陣，從而實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重w的光學(xué)片上映射結(jié)構(gòu)。

5、優(yōu)選的，兩個(gè)耦合器和一個(gè)相移器的mzi單元結(jié)構(gòu)的傳輸矩陣如下：

6、

7、相移器的角度為θ，兩個(gè)耦合器的相移值分別為ω1、ω2。

8、優(yōu)選的，兩個(gè)耦合器和兩個(gè)相移器的mzi單元結(jié)構(gòu)的傳輸矩陣如下：

9、

10、兩個(gè)相移器的角度分別為θ和φ，兩個(gè)耦合器的相移值分別為ω1、ω2。

11、優(yōu)選的，光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型使用adam優(yōu)化器，采用均方差計(jì)算損失函數(shù)：

12、n為輸入數(shù)據(jù)的數(shù)量，xi為輸入向量，yi為輸出向量。

13、優(yōu)選的，將多個(gè)mzi單元組合起來形成一個(gè)多端口的可編程光學(xué)處理器，代碼中通過定義一個(gè)函數(shù)，生成矩陣所需mzi的位置，進(jìn)行該層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)定。這種結(jié)構(gòu)不僅能夠有效地控制光信號(hào)的相位差，還可以通過調(diào)節(jié)偏振狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)更多的自由度，進(jìn)而允許在單個(gè)芯片上構(gòu)建更為復(fù)雜的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

14、一種基于偏振控制mzi單元的集合端口，包括多個(gè)mzi單元，將多個(gè)mzi單元組合起來形成一個(gè)多端口的級(jí)聯(lián)mzi光學(xué)處理器；每個(gè)mzi單元包括至少兩個(gè)耦合器和一個(gè)相移器；每個(gè)耦合器輸入端加入偏振控制器，保持mzi單元在總數(shù)m不變的前提下將端口擴(kuò)展為2m；偏振控制器通過改變光的偏振方向，使得不同偏振態(tài)的光可以在同一路徑上傳播而不發(fā)生干擾，每個(gè)單元都能夠獨(dú)立地進(jìn)行相位和偏振調(diào)控。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)有益效果如下：

16、1.高精度偏振控制：利用偏振狀態(tài)作為額外調(diào)控維度，可以在不增加物理尺寸的情況下顯著提升每個(gè)mzi單元的信息承載量，構(gòu)建更大規(guī)模的光學(xué)矩陣，支持更高維度的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，進(jìn)而改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的處理能力和準(zhǔn)確性。

17、2.自動(dòng)構(gòu)建mzi光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)矩陣：通過引入算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)mzi單元的自動(dòng)布局。從而簡化了設(shè)計(jì)過程。

18、3.提高擴(kuò)展性和集成度：該技術(shù)方案支持多端口mzi單元的大規(guī)模集成，為構(gòu)建更大規(guī)模、更復(fù)雜的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了可能。

19、綜上所述，本專利通過技術(shù)創(chuàng)新解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的多個(gè)瓶頸問題，提供了一個(gè)更加高效、靈活且易于制造的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，極大地促進(jìn)了該領(lǐng)域的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。

技術(shù)特征：

1.一種基于偏振控制的mzi光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，其特征在于，對(duì)傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的權(quán)重矩陣w進(jìn)行奇異值分解得到酉矩陣和對(duì)角矩陣，利用多個(gè)mzi單元組合的方式，采用酉矩陣或和對(duì)角矩陣結(jié)構(gòu)，構(gòu)建光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振控制的mzi光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，其特征在于，每個(gè)mzi單元包括至少兩個(gè)耦合器和一個(gè)相移器，前端耦合器的輸入端設(shè)置偏振控制器，實(shí)現(xiàn)端口擴(kuò)展，假設(shè)構(gòu)建n*n的酉矩陣架構(gòu)，需要個(gè)mzi單元，n為大于2的自然數(shù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振控制的mzi光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，其特征在于，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的權(quán)重矩陣w進(jìn)行奇異值分解，分解為酉矩陣u、對(duì)角矩陣σ和酉矩陣v的共軛即通過多個(gè)mzi單元拓?fù)浼?jí)聯(lián)的方式構(gòu)建酉矩陣u和對(duì)角矩陣，從而實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重w的光學(xué)片上映射結(jié)構(gòu)。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于偏振控制的mzi光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，其特征在于，兩個(gè)耦合器和一個(gè)相移器的mzi單元結(jié)構(gòu)的傳輸矩陣如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于偏振控制的mzi光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，其特征在于，兩個(gè)耦合器和兩個(gè)相移器的mzi單元結(jié)構(gòu)的傳輸矩陣如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振控制的mzi光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，其特征在于，光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型使用adam優(yōu)化器，采用均方差計(jì)算損失函數(shù)：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于偏振控制mzi單元的集合端口，其特征在于，將多個(gè)mzi單元組合起來形成一個(gè)多端口的可編程光學(xué)處理器，代碼中通過定義一個(gè)函數(shù)，生成矩陣所需mzi的位置，進(jìn)行該層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)定。這種結(jié)構(gòu)不僅能夠有效地控制光信號(hào)的相位差，還可以通過調(diào)節(jié)偏振狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)更多的自由度，進(jìn)而允許在單個(gè)芯片上構(gòu)建更為復(fù)雜的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

8.一種基于偏振控制mzi單元的集合端口，采用如權(quán)利要求1-7任一所述的基于偏振控制的mzi光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，其特征在于，包括多個(gè)mzi單元，將多個(gè)mzi單元組合起來形成一個(gè)多端口的級(jí)聯(lián)mzi光學(xué)處理器；每個(gè)mzi單元包括至少兩個(gè)耦合器和一個(gè)相移器；每個(gè)耦合器輸入端加入偏振控制器，保持mzi單元在總數(shù)m不變的前提下將端口擴(kuò)展為2m；偏振控制器通過改變光的偏振方向，使得不同偏振態(tài)的光可以在同一路徑上傳播而不發(fā)生干擾，每個(gè)單元都能夠獨(dú)立地進(jìn)行相位和偏振調(diào)控。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)屬于硅基光子學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于偏振控制的MZI光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法及集合端口，對(duì)傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的權(quán)重矩陣W進(jìn)行奇異值分解得到酉矩陣和對(duì)角矩陣，利用多個(gè)MZI單元組合的方式，采用酉矩陣或?qū)蔷仃嚱Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；其優(yōu)點(diǎn)在于，構(gòu)建更大規(guī)模的光學(xué)矩陣，支持更高維度的數(shù)據(jù)處理任務(wù)，進(jìn)而改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的處理能力和準(zhǔn)確性。

技術(shù)研發(fā)人員：徐曉,張鈺婧,方浩,孫崇磊,杜劉革,孔繁敏,趙佳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15