一种基于两段式半导体激光器的电注入编码装置及方法

本发明属于光计算领域，具体涉及一种基于两段式半导体激光器的电注入编码装置及方法。

背景技术：

1、在脉冲神经网络中，信息以尖峰脉冲的形式表示，尖峰脉冲在时间上是连续的，而在强度上是离散的，故脉冲神经网络更加节能。近年来基于尖峰脉冲的神经形态单元在电子领域和光学领域蓬勃发展。基于尖峰脉冲的光子神经形态处理旨在支持统一装置上的信息处理和通信，在解决模式识别、决策、优化和学习等特定任务方面比冯·诺伊曼体系结构具有效率、正确性和适应性等优势。此外，尖峰脉冲编码作为一种广泛存在于神经系统中的稀疏编码策略被神经科学界所认可。同样在光子脉冲神经网络中，脉冲编码作为连接外部网络与光子脉冲神经网络的枢纽，具有重要的作用。

2、现有的编码方案中，已经有基于石墨烯光纤激光器的光注入编码、基于垂直腔面发射激光器的光注入及电注入编码、基于微盘激光器的光注入编码、基于分布式反馈激光器的光注入编码。

3、但是，现有的光注入光子脉冲神经元编码方案中，需要网络提供额外的光路，将信息调制到光路上注入到激光器进行编码，如此，使得脉冲神经网络的复杂度较高，并且对外部光的依赖性也较大。以及，现有的基于垂直腔面发射激光器的电注入编码方案的电注入接口单一，并且，光脉冲神经元(激光器)的功能单一。

技术实现思路

1、为了解决相关技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于两段式半导体激光器的电注入编码装置及方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明提供一种基于两段式半导体激光器的电注入编码装置，包括：两段式半导体激光器、温度控制器、电流源、电压源、第一现场可编程逻辑门阵列和第二现场可编程逻辑门阵列、第一偏置器和第二偏置器、光隔离器、可调光衰减器、光耦合器、光电探测器、示波器和光谱仪；

3、所述两段式半导体激光器，包括增益区和饱和吸收区；用于根据所述增益区的信号或所述饱和吸收区的信号，进行频率编码或时空编码，得到编码光信号；根据所述增益区的信号和所述饱和吸收区的信号进行计算，并进行频率编码或时空编码，得到编码光信号；

4、所述温度控制器，与所述两段式半导体激光器连接，用于控制所述两段式半导体激光器的工作温度；

5、所述电流源，与所述第一偏置器连接，用于输出电流信号；

6、所述第一现场可编程逻辑门阵列，与所述第一偏置器连接，用于向所述增益区提供待编码电信号；

7、所述第一偏置器，连接至所述增益区，用于将所述电流信号和所述待编码电信号共同加载至所述增益区；

8、所述电压源，与所述第二偏置器连接，用于输出电压信号；

9、所述第二现场可编程逻辑门阵列，与所述第二偏置器连接，用于向所述饱和吸收区提供待编码电信号；

10、所述第二偏置器，连接至所述饱和吸收区，用于将所述电压信号和所述编码电信号共同加载至所述饱和吸收器区；

11、所述光隔离器，分别与所述两段式半导体激光器和所述可调光衰减器连接，用于阻止反射光进入所述两段式半导体激光器；

12、所述可调光衰减器，通过所述光耦合器分别与所述光电探测器和所述光谱仪连接；所述可调光衰减器用于对来自所述光隔离器的所述编码光信号的功率进行控制；所述光耦合器用于将经过功率控制后的编码光信号分为第一路光信号和第二路光信号；

13、所述光电探测器，用于将所述第一光信号转换为电信号；

14、所述示波器，与所述光电探测器连接，用于对转换的电信号进行测量；

15、所述光谱仪，用于对所述第二路光信号进行测量。

16、本发明还提供一种基于两段式半导体激光器的电注入编码方法，所述方法基于上述的基于两段式半导体激光器的电注入编码装置实现，所述方法包括：

17、采用所述温度控制器将所述两段式半导体激光器的工作温度控制在预设温度；

18、采用所述电压源和所述电流源，每次向所述电注入编码装置输入一个电压值和一个电流值，同时采用所述第一现场可编程逻辑门阵列和/或所述第二现场可编程逻辑门阵列，每次向所述增益区和/或所述饱和吸收区输入测试电信号，并通过所述示波器和所述光谱仪测量出每次的编码信号，得到每次的测量结果；每次输入的电压值和电流值为一组驱动值；

19、当向所述电注入编码装置输入多组驱动值时，得到多组驱动值中每组驱动值与对应的测量结果；任意两组驱动值之间至少有一个电流值或电压值不同；

20、根据所述多组驱动值中每组驱动值与对应的测量结果，分析得到电压值的大小与电流值的范围长度之间的两者作用关系，以及得到电压值的大小和电流值的大小对测量结果的影响关系；所述电流值的范围长度是支持所述电注入编码装置进行信号编码的电流值的范围的大小；

21、根据所述两者作用关系和所述影响关系，选择驱动电压值和驱动电流值，将所述驱动电压值、所述驱动电流值，以及待编码电信号输入所述电注入编码装置进行频率编码或时空编码，得到编码结果。

22、本发明具有如下有益技术效果：

23、本发明提出的基于两段式半导体激光器的电注入编码装置可提供两个电注入接口，通过两个电注入接口中的任意一个接口可以进行信号编码，并且，当两个电注入接口同时使用时，两段式半导体激光器可对增益区的信号和饱和吸收区的信号进行计算并编码，相比于基于光注入的编码方法，消除了光子脉冲神经网络中信息编码对外部光注入的依赖性，也不需额外的光电转化，并且，相比于基于垂直腔面发射激光器的电注入编码而言，不仅增加了电注入接口的数量，在作为光脉冲神经元的两段式半导体激光器上还提供了一定的计算功能。此外，由于两段式半导体激光器输出的光的功率大，因而通过本发明提出的电注入编码装置编码得到的编码信号对于进入脉冲神经网络后的信息传输更方便。

24、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

技术特征：

1.一种基于两段式半导体激光器的电注入编码装置，其特征在于，包括：两段式半导体激光器、温度控制器、电流源、电压源、第一现场可编程逻辑门阵列和第二现场可编程逻辑门阵列、第一偏置器和第二偏置器、光隔离器、可调光衰减器、光耦合器、光电探测器、示波器和光谱仪；

2.根据权利要求1所述的基于两段式半导体激光器的电注入编码装置，其特征在于，所述两段式半导体激光器为法布里-珀罗激光器。

3.根据权利要求1所述的基于两段式半导体激光器的电注入编码装置，其特征在于，所述第一现场可编程逻辑门阵列和所述第二现场可编程逻辑门阵列可以提供相同的电信号，也可以提供不同的电信号。

4.一种基于两段式半导体激光器的电注入编码方法，其特征在于，所述方法基于上述权利要求1～3任一项所述的基于两段式半导体激光器的电注入编码装置实现，所述方法包括：

5.根据权利要求4所述的基于两段式半导体激光器的电注入编码方法，其特征在于，所述当向所述电注入编码装置输入多组驱动值时，得到多组驱动值中每组驱动值与对应的测量结果，包括以下任意一种：

6.根据权利要求4所述的基于两段式半导体激光器的电注入编码方法，其特征在于，所述根据所述多组驱动值中每组驱动值与对应的测量结果，分析得到电压值的大小与电流值的范围长度之间的两者作用关系，以及得到电压值的大小和电流值的大小对测量结果的影响关系，包括：

7.根据权利要求5所述的基于两段式半导体激光器的电注入编码方法，其特征在于，所述两者作用关系是第一两者作用关系、第二两者作用关系或第三两者作用关系；对应的，所述测量结果是第一测量结果、第二测量结果或第三测量结果；

8.根据权利要求7所述的基于两段式半导体激光器的电注入编码方法，其特征在于，所述根据所述两者作用关系和所述影响关系，选择驱动电压值和驱动电流值，将所述驱动电压值、所述驱动电流值，以及待编码电信号输入所述电注入编码装置进行频率编码或时空编码，得到编码结果，包括以下任意一种：

技术总结
本发明公开一种基于两段式半导体激光器的电注入编码装置及方法，该装置包括：包含增益区和吸收区、根据增益区信号和/或吸收区信号进行频率编码或时空编码的激光器；控制激光器温度的控制器；输出电流信号的电流源；向增益区提供待编码信号的现场可编程逻辑门阵列；将电流信号和待编码电信号加载至增益区的偏置器；提供电压信号的电压源；向吸收区提供待编码信号的现场可编程逻辑门阵列；将电压信号和待编码信号加载至吸收器区的偏置器；与激光器和可调光衰减器连接的光隔离器；和光谱仪连接的可调光衰减器；将编码光信号分为两路光的光耦合器；将一路光转换为电信号的光电探测器；对电信号测量的示波器；对另一路光测量的光谱仪。

技术研发人员：张雅慧,项水英,郭星星,郑殿壮,施跃春,郝跃
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12