一种光纤结构的神经突触方案
阅读说明：本技术 一种光纤结构的神经突触方案 (Nerve synapse scheme of optical fiber structure ) 是由 张亚勋 李亚茹 金威 李翔 程思莹 张毅博 张羽 刘志海 杨军 苑立波 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光纤结构的神经突触方案。通过光纤端面结合相变材料模拟生物神经元的突触结构,利用全光纤器件搭建脉冲突触方案,并采用不同脉冲宽度实现突触不同权重间的切换,基于STDP法则,出射光脉冲与入射光脉冲重叠部分的脉冲超过阈值功率并共同作用在光纤突触上,更新其权重。该装置可以实现突触权重自动调节功能,各个权重之间可以相互转换,转换次数达10～(12)。全光脉冲突触相比基于电子元器件的脉冲突触,具有抗干扰、低功耗、结构简单、调节速度快等优点,有望为光神经网络的发展提供了重要方向。(The invention discloses a nerve synapse scheme of an optical fiber structure. The synapse structure of a biological neuron is simulated by combining the end face of an optical fiber with a phase-change material, a pulse synapse scheme is built by using an all-fiber device, different weights of synapses are switched by adopting different pulse widths, and based on an STDP rule, pulses of the overlapped part of an outgoing light pulse and an incident light pulse exceed a threshold power and act on the optical fiber synapses together to update the weights of the outgoing light pulse and the incident light pulse. The device can realize the function of automatic regulation of synaptic weights, and all weights can be switched with each other, and the switching frequency reaches 10 12 . Compared with the pulse synapse based on electronic components, the all-optical pulse synapse has the advantages of interference resistance, low power consumption, simple structure, high regulation speed and the like, and is expected to provide an important direction for the development of an optical neural network.)
技术领域
本发明涉及光纤智能器件领域，尤其涉及一种基于相变材料的光纤结构的神经突触方案。
背景技术
神经形态计算是第三代人工智(AI)的算力支撑，模仿人类大脑的信息处理模式,集存储和计算一体,有望打破“冯·诺依曼”的约束架构,是具有自主学习能力并实时处理非结构化信息的新型计算。神经形态计算的核心技术是“脉冲神经网络(SNN)”的实现，SNN类似于生物神经网络,都由各种类型的神经元和突触连接而成。在人类大脑中，神经元大约有1011个而突触大约有1015个，突触是神经元之间的信息传输的关键部分,在神经元网络认知行为的基本单位，突触主导着神经元网络的结构，并负责大量的并行性、结构可塑性和大脑的健壮性。因此，模仿生物突触功能和可塑性的突触器件将成为脑启发计算系统的重要组成部分。
相变材料(PCM)具有写/擦除速度快、非晶态和晶态电学和光学性质差异大、可逆循环好、热稳定性好等优点，是技术上成熟的、实现突触功能的最佳选择材料。因此，人们提出了许多具有PCM的突触方案。例如在电学中，电脉冲诱导电阻改变的突触器件，虽然它们可以执行突触功能，但由于电学系统固有的信号干扰和能耗大的缺陷，阻碍了它们的进一步发展。为了避免由电引起的缺陷，Harish Bhaskaran等人提出了在氮化硅/二氧化硅平台上完全集成的全光突触方案(Zengguang Cheng,Carlos Ríos,Wolfram H.P.Pernice,etal.On-chip photonic synapse[J].Science.Advances,2017,3:e1700160.)，克服了电突触的缺点，但其制作工艺复杂，对设备的要求高，难以广泛应用。而光纤由于与光耦合良好，结构简单，衰减低，且在结构和功能上与神经元相似，并可以克服电学上的缺陷，我们认为光纤与PCM结合能更好地实现神经元的突触功能。
目前，光纤由于高速、大带宽、可扩展性好、传输质量高、低成本、抗干扰能力强等特性，已经被广泛应用于光纤通信和光纤传感领域。本专利提出的基于相变材料的光纤结构的神经突触方案具有结构简单、功耗低、运算快、反馈调节权重的优点，可以实现STDP学习法则。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于相变材料的光纤结构的神经突触方案，通过输入固定功率不同脉冲宽度的单脉冲调节突触的权重，实现突触的STDP学习规则。
本发明的光纤结构的神经突触方案是这样实现的：
一种光纤结构的神经突触方案，包括：脉冲光源(1)，相位调制器(2)，50：50耦合器(3)，环形器(4)，突触结构(5)，90：10分束器(6)，光电探测器(7)，延迟线(8)，光放大器(9)。其中脉冲光源(1)的作用是产生满足需求的脉冲光，如一定波长、功率、脉宽和频率等；相位调制器(2)的作用是消除突触前脉冲和突触后脉冲的干涉；50：50耦合器(3)的作用是将突触前脉冲与经处理后的突触后脉冲叠加；环形器(4)的作用是将脉冲从a1到a2传到突触结构(5)，再将反射的脉冲从a2到a3传到突触后；90：10分束器(6)用来将突触后脉冲分成90％和10％的两束，90％流入延迟线(8)路，10％流入光电探测器(7)；光电探测器(7)的作用是探测突触后脉冲的形状，确定此时的脉冲宽度；延迟线(8)为可调谐延迟线，用来对突触后脉冲进行不同程度的延迟，再经过光放大器(9)进行功率放大，且放大到与突触前脉冲一样的功率。
进一步地，突触结构(5)由光纤(5-1)，相变材料(5-2)，覆盖层(5-3)组成，其特征在于：相变材料(5-2)直接覆盖在光纤(5-1)端面，覆盖层(5-3)直接覆盖在相变材料(5-2)上方。其中，光纤(5-1)可以是单模光纤或者多模光纤，相变材料(5-2)可选为硫系化合物，由Ge、Sb、Te三种元素中任意两种或以上组成，其光学性质可被入射的光脉冲调节，覆盖层(5-3)可选为Au薄膜，防止相变材料氧化并提高突触结构的反射率。相变材料(5-2)和覆盖层(5-3)分别可以利用射频磁控溅射和直流磁控溅射的方式镀在光纤(5-1)的端面上。其中，所述相变材料(5-2)的光学性质根据晶化程度不同而不同，晶化程度越高对通信波段光的反射率越高。突触权重由相变材料(5-2)的晶化程度调节，晶化程度由输入固定功率不同脉冲宽度的脉冲光调节。光纤突触结构(5)的注光和收光采用光纤环形器，其中接受到的光脉冲是由相变材料(5-2)和覆盖层(5-3)反射的光脉冲。该突触结构(5)可以用不同的光信号实现突触权重的调节和读取，且突触权重的调节次数达1012。
进一步地，通过50：50耦合器(3)的突触前和突触后脉冲，只有当两者脉宽重叠的部分才可以超过调节突触结构(5)权重的阈值，非重叠的部分不会超过阈值并不会引起权重改变。
STDP学习规则取决于到达突触的外部信号脉冲的顺序和间隔。当到达突触的脉冲的时间序列发生变化时，突触权重可以从增强(抑制)变为抑制(增强)。这种现象在大脑中称为不对称性STDP，相反，称为对称性STDP；当到达突触的两列脉冲的时间间隔发生变化时，突触权重随之产生指数变化；STDP被认为是Hebbian理论中最重要的学习机制，在信息编码、学习和记忆中发挥着重要作用，其学习公式为：
公式中ΔW代表神经突触权重的变化，Δt代表突触前脉冲信号与突触后脉冲信号到达的相对时间差，τ和+/-代表时间常数以及指数因子，a为常数。
在本项发明中，可以通过调节延迟线(8)不同的延迟时间Δt实现重叠程度不同的脉冲宽度，使突触得到不同的权重，实现STDP学习规则。
本发明利用相变材料与光纤相结合的方式来构建完全集成的全光子突触装置，相变材料具有写/擦除速度快、可逆循环好、热稳定性好、非晶态和晶态的电子和光学性能差异大等优点，是技术上成熟的、实现突触功能的最佳选择材料；利用相变材料对不同脉冲的响应不同，在不同脉冲宽度的刺激下，相变材料的结晶度发生变化，影响其反射率、吸收率、折射率等性能，从而保持长期稳定，在脉宽调制(PWM)下，实现了突触器件多级反射状态，并利用可调延迟路实现脉冲时序依赖可塑性(STDP)。
有益效果
本发明相对现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明提出了一种相变材料与光纤结合的方式，构造光纤神经突触结构，赋予光纤“智慧”，并实现了突触的STDP学习规则，为模拟生物突触开辟了新方向；
2、本发明的基于相变材料的全光光纤神经突触与电学突触相比，具有天然的结构简单、效率高、功耗低的优点。
附图说明
1、图1为光纤结构的神经突触方案的示意图；
2、图2为突触结构的示意图；
3、图3为本发明中脉宽调制(PWM)示意图；
4、图4为本发明的突触权重随突触前脉冲和突触后脉冲时间延迟(Δt)变化的指数关系图；
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例对本发明技术方法作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1、2所示，实例中，脉冲光波长选用通讯波段1550nm，功率选用95mW，脉宽选用70ns；突触结构的光纤(5-1)选用单模光纤，相变材料(5-2)选用Ge2Sb2Te5(GST)，覆盖层(5-3)选用Au膜。GST的非晶态具有低反射率，晶态具有高反射率，GST当被外界光/电脉冲加热到约420K附近，将相变为FCC结构，呈现为晶态，当能量更高的脉冲将材料加热至熔化温度(约890K)以上并快速冷却即可回到非晶态，因此，可以利用具有不同能量的不同脉宽的脉冲来切换GST，得到GST不同结晶态；GST不同结晶态对应的反射率不同，对应的突触权重不同。
将脉冲光源(1)输出的脉冲定义为In1，突触后脉冲定义为In2，通过耦合器(3)输出的突触前脉冲定义为Out，其对应的脉冲功率分别定义为PIn1、PIn2和Pout。定义GST的阈值开关功率为Pth。由脉冲光源(1)输出的脉冲连接到相位调制器(2)，消除In1和In2的干涉，50％的PIn1和50％的PIn2耦合在一起形成突触前脉冲，从环形器(4)a1到a2，然后，反射脉冲即突触后脉冲通过环形器(4)a2到a3，后又经过分束器(6)被分成两束，其中10％传输到光电探测器(7)观察脉冲形状，90％通过光纤延迟线(8)使突触后脉冲延迟纳秒级，再经过掺铒光纤光放大器(9)对其功率进行放大到与输入脉冲功率一致，使PIn2＝PIn1<Pth，POut＝PIn1+PIn2，当In1和In2延迟的时间小于脉冲宽度时，两列脉冲重叠的部分为Pout，且Pout>Pth，突触前脉冲对突触有作用效果，使其权重发生变化，当In1和In2延迟的时间大于脉冲宽度且小于脉冲间隔时，两列脉冲无重叠，突触权重不发生变化。如图3所示，通过调整延迟线(8)，Out的τ得到了0到τmax(脉冲宽度)之间的可调性，且对应τ的脉冲功率高于Pth，更新突触权重。图4给出的延迟时间与突触权重成指数关系，满足STDP的学习规则。
以上所述的具体实施例，对本发明的技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，只且是一部分实施例而不是全部实施例。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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