光信号处理装置及相关方法与流程

本技术涉及光通信，尤其涉及一种光信号处理装置及相关方法。

背景技术：

1、基于深度神经网络的深度学习技术目前广泛应用于语音识别、图像处理、医疗诊断、自动驾驶等热门领域。深度神经网络主要分为前馈神经网络和循环神经网络。其中循环神经网络内部存在从后向前的反馈连接，具有记忆和联想的能力，能够实现动态系统中时序信息的处理和预测，因此得到大量的研究。在循环神经网络中，储备池计算(reservoircomputing，rc)模型架构简单、训练难度低，并且能够实现较好的精度。对于配置较低的硬件平台等特殊应用场景，储备池计算是非常合适的神经网络模型。

2、近年来，研究人员又提出了下一代储备池计算(next generation reservoircomputing，ngrc)算法。ngrc是一种基于非线性自回归自构建的神经网络，已经被证明与rc具有等效性。和rc节点随机连接相比，ngrc的特征向量空间具有显性关系，并且只需较小的特征向量空间即可实现等效于具有大规模节点的rc的预测性能，对于特定场景下多步预测性能表现更好。现有方法实现ngrc是基于集成电路芯片(如cpu、gpu)实现，存在集成电路实现大规模和高复杂度神经网络中的普遍性缺点，例如对工艺要求较高、高速计算稳定性较差、功耗大和能耗比低等。

技术实现思路

1、本技术实施例提供了一种光信号处理装置及相关方法，通过设置布里渊光信号读写单元，使得ngrc算法中多种功能能够同步实现，使得ngrc算法的光学方法实现的系统结构简单，对制作工艺要求低，同时保障了系统性能需求。

2、第一方面，提供了一种光信号处理装置，该装置包括布里渊光信号读写单元：

3、布里渊光信号读写单元，用于接收写入光信号、第一读取光信号和第二读取光信号，其中，写入光信号、第二读取光信号承载第一待处理信号；

4、布里渊光信号读写单元，还用于根据写入光信号和第一读取光信号，实现线性升维功能，获得第一输出光信号；

5、布里渊光信号读写单元，还用于根据写入光信号和第二读取光信号，实现非线性映射功能，获得第二输出光信号。

6、在本技术实施例中，通过布里渊光信号读写单元接收写入光信号、第一读取光信号和第二读取光信号，写入光信号和第二读取光信号中都承载第一待处理信号，第一读取光信号中不承载信息。布里渊光信号单元通过结合写入光信号经过布里渊散射效应后的声子信号和第一读取光信号获得第一输出光信号实现线性升维功能，通过结合声子信号和第二读取光信号实现非线性映射功能。这个过程即通过一个功能单元，能够完成ngrc算法的光学方法实现过程中的两个关键性功能。降低了系统布局的复杂度，降低了对制作工艺的要求，同时保障了系统性能。

7、在一种可能的设计中，布里渊光信号读写单元包括写入光波导、读取光波导、光声转换波导、声子自由传播区和声光转换波导；

8、写入光波导，用于接收写入光信号，并将写入光信号输入光声转换波导；

9、光声转换波导，用于将写入光信号转换成声子信号；

10、声子自由传播区，用于将声子信号从光声转换波导传播到声光转换波导；

11、读取光波导，用于接收第一读取光信号，并将第一读取光信号输入声光转换波导；

12、声光转换波导，用于结合第一读取光信号和声子信号实现线性升维功能，获得第一输出光信号。

13、在一种可能的设计中，读取光波导，还用于接收第二读取光信号，并将第二读取光信号输入声光转换波导；

14、声光转换波导，还用于结合第二读取光信号和声子信号实现非线性映射功能，获得第一输出光信号。

15、在一种可能的设计中，该装置还包括第一激光器，第二激光器，调制器，光分束器，第一激光器与调制器连接，调制器与光分束器连接，光分束器、第二激光器与布里渊光信号读写单元连接；

16、第一激光器，用于产生第一光束；

17、调制器用于在第一光束上加载第一待处理信号获得第一光信号；

18、光分束器用于将第一光信号分为两路光信号，其中一路光信号为写入光信号，另一路光信号为第一读取光信号；

19、第二激光器，用于产生第二光束，将第二光束作为第二读取光信号。

20、在一种可能的设计中，该装置还包括第一光合束器；第一光合束器与布里渊光信号读写单元连接；

21、第一光合束器，用于接收第一输出光信号和第二输出光信号，并将第一输出光信号和第二输出光信号进行线性组合，获得组合光信号。

22、在一种可能的设计中，该装置还包括第三激光器以及与第三激光器连接的第二光合束器，第二光合束器还与光分束器和布里渊光信号读写单元连接；

23、第三激光器，用于产生第三光束作为控制光信号；

24、第二光合束器，用于接收控制光信号以及写入光信号，并将控制光信号和写入光信号输入布里渊光信号读写单元，控制光信号用于提供将写入光信号转换成声子信号的能量。

25、在一种可能的设计中，第一光合束器还与探测器连接，探测器与计算设备连接；

26、探测器，用于探测组合光信号，并将组合光信号转换成组合电信号；

27、计算设备用于获取组合电信号，根据组合电信号获得ngrc特征空间，将ngrc特征空间与ngrc权重矩阵相乘，获得ngrc预测结果。

28、在本技术实施例中，通过一系列元器件的组合连接，获得了一个完整的光信号处理装置，该装置能够完整地进行ngrc算法的光学方法实现过程，且结构简单，器件制作工艺要求低，处理效率高，保证了ngrc算法的光学方法实现的系统性能。进一步地，本装置能够通过调节声子自由传播区的长度、写入光信号和读取光信号的组合，实现ngrc算法的定制化，从而适用于不同应用场景和实际问题。

29、第二方面，提供了一种光信号处理系统，该系统包括n个并行的如第一方面或第一方面中的任一方面的光信号处理装置。

30、在一种可能的设计中，该系统包括布里渊光信号读写阵列，布里渊光信号读写阵列由n个布里渊光信号读写单元组成。

31、在一种可能的设计中，该系统还包括n个第一激光器以及分别与n个第一激光器连接的n个调制器，n个第一激光器用于产生n个第一光束，n个调制器用于分别为n个第一光束加载第一待处理信号，获得n个第一光信号；

32、该系统还包括第二激光器，用于产生第二光束，将第二光束作为第二读取光信号；

33、n个第一光信号和第二读取光信号经过第一光合束器组合成一路光信号，一路光信号经过第一光分束器被分为两路光信号，两路光信号中的第一路光信号经过阵列波导光栅，阵列波导光栅用于将根据数据信号将第一路光信号划分为n路写入光信号，两路光信号中的第二路光信号经过第二光分束器被划分为数据信号对应的n路第一读取光信号，以及n路第二读取光信号；

34、将n路写入光信号、n路第一读取光信号和n路第二读取光信号分别输入n个布里渊光信号读写单元，其中每个布里渊信号读写单元输入的一路写入光信号和一路第一读取光信号的数据信号相对应。

35、在一种可能的设计中，该系统还包括第三激光器，以及与第三激光器连接的第三光分束器，第三光分束器还与n个第二光合束器连接，n个第二光合束器中每个第二光合束器与一个布里渊光信号读写单元连接，其中，

36、第三激光器用于产生第三光束作为控制光信号，第三光分束器接收控制光信号，并将控制光信号分成n路控制光信号，n路控制光信号分别输入n个第二光合束器；

37、n个第二光合束器中的每个第二光合束器分别接收n路写入光信号中的一路，并将写入光信号与控制光信号输入连接的布里渊光信号读写单元，控制光信号用于提供写入光信号转换成声子信号的能量。

38、在一种可能的设计中，第二光分束器将控制光信号分成n路控制光信号时，按照n个布里渊光信号读写单元的权重确定控制光信号划分比例。

39、在本技术实施例中，通过波分复用技术的并行架构来进行ngrc算法的光学方法实现，可以完成多维数据信号的处理，完成多维信号的ngrc算法的光学方法实现。该系统的核心为并行排布多个布里渊光信号读写单元，连接方式简单，制作工艺复杂度低，达成了ngrc算法的高效率实现。另外并行架构能够提高单位面积算力，架构高度可定制，适用于不同维度的数据信号处理问题。

40、第三方面，提供一种信息获取方法，该方法应用于光信号处理装置，该装置包括布里渊光信号读写单元，该方法包括：

41、通过布里渊光信号读写单元接收写入光信号、第一读取光信号和第二读取光信号，其中，写入光信号、第二读取光信号承载第一待处理信号；

42、布里渊光信号读写单元根据写入光信号和第一读取光信号，实现线性升维功能，获得第一输出光信号；

43、布里渊光信号读写单元根据写入光信号和第二读取光信号，实现非线性映射功能，获得第二输出光信号。

44、在一种可能的设计中，布里渊光信号读写单元包括写入光波导、读取光波导、光声转换波导、声子自由传播区和声光转换波导；该方法还包括：

45、通过写入光波导接收写入光信号，并将写入光信号输入光声转换波导；

46、通过光声转换波导将写入光信号转换成声子信号；

47、通过声子自由传播区将声子信号从光声转换波导传播到声光转换波导；

48、通过读取光波导接收第一读取光信号，并将第一读取光信号输入声光转换波导；

49、通过声光转换波导结合第一读取光信号和声子信号实现线性升维功能，获得第一输出光信号。

50、在一种可能的设计中，该方法还包括：通过读取光波导接收第二读取光信号，并将第二读取光信号输入声光转换波导；通过声光转换波导结合第二读取光信号和声子信号实现非线性映射功能，获得第一输出光信号。

51、在一种可能的设计中，装置还包括第一激光器，第二激光器，调制器，光分束器，第一激光器与调制器连接，调制器与光分束器连接，光分束器、第二激光器与布里渊光信号读写单元连接；该方法还包括：通过第一激光器产生第一光束；通过调制器在第一光束上加载第一待处理信号获得第一光信号；通过光分束器将第一光信号分为两路光信号，其中一路光信号为写入光信号，另一路光信号为第一读取光信号；通过第二激光器产生第二光束，将第二光束作为第二读取光信号。

52、在一种可能的设计中，装置还包括第一光合束器；第一光合束器与布里渊光信号读写单元连接；该方法还包括：通过第一光合束器接收第一输出光信号和第二输出光信号，并将第一输出光信号和第二输出光信号进行线性组合，获得组合光信号。

53、在一种可能的设计中，该装置还包括第三激光器以及与第三激光器连接的第二光合束器，第二光合束器还与光分束器和布里渊光信号读写单元连接；该方法还包括：通过第三激光器产生第三光束作为控制光信号；通过第二光合束器接收控制光信号以及写入光信号，并将控制光信号和写入光信号输入布里渊光信号读写单元，控制光信号用于提供将写入光信号转换成声子信号的能量。

54、在一种可能的设计中，第一光合束器还与探测器连接，探测器与计算设备连接；该方法还包括：通过探测器探测组合光信号，并将组合光信号转换成组合电信号；通过计算设备获取组合电信号，根据组合电信号获得ngrc特征空间，将ngrc特征空间与ngrc权重矩阵相乘，获得ngrc预测结果。

55、第四方面，提供一种光信号处理方法，该方法包括用于如执行第二方面或第二方面任一项系统功能的步骤。

56、第五方面，提供了一种通信装置，包括：

57、存储器，用于存储指令；以及

58、至少一台处理器，与所述存储器耦合；

59、其中，当所述至少一台处理器执行所述指令时，所述指令致使所述处理器执行第三方面或第四方面任一项所述的方法。

60、第六方面，本技术实施例提供一种芯片系统，包括：处理器，所述处理器与存储器耦合，所述存储器用于存储程序或指令，当所述程序或指令被所述处理器执行时，使得该芯片系统实现上述第三方面或第三方面任一方面的方法，或者使得该芯片系统实现上述第四方面的方法。

61、可选地，该芯片系统还包括接口电路，该接口电路用于交互代码指令至所述处理器。

62、可选地，该芯片系统中的处理器可以为一个或多个，该处理器可以通过硬件实现也可以通过软件实现。当通过硬件实现时，该处理器可以是逻辑电路、集成电路等。当通过软件实现时，该处理器可以是一个通用处理器，通过读取存储器中存储的软件代码来实现。

63、可选地，该芯片系统中的存储器也可以为一个或多个。该存储器可以与处理器集成在一起，也可以和处理器分离设置，本技术并不限定。示例性的，存储器可以是非瞬时性处理器，例如只读存储器rom，其可以与处理器集成在同一块芯片上，也可以分别设置在不同的芯片上，本技术对存储器的类型，以及存储器与处理器的设置方式不作具体限定。

64、第七方面，本技术实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序或指令，当该计算机程序或指令被执行时，使得计算机执行上述第三方面或第三方面任一方面的方法，或使得计算机执行上述第四方面的方法。

65、第八方面，本技术实施例提供一种计算机程序产品，当计算机读取并执行所述计算机程序产品时，使得计算机执行上述第三方面或第三方面任一种可能的实现方式中的方法，或使得计算机执行上述第四方面的方法。