[发明专利]一种光纤脉冲神经元构建方案

权利要求书

1.一种光纤脉冲神经元构建方案，包括光脉冲源模块(1)、光纤突触模块(2)、光纤胞体模块(3)以及光纤反馈回路模块(001、002)；

所述脉冲光源模块(1)发出光脉冲输入至光纤突触模块(2)中，光纤突触模块(2)受输入光脉冲调整权重后，各光脉冲合束输出至光纤胞体模块(3)中，光纤胞体模块(3)的状态受输入的合束光脉冲调节，且将合束的光脉冲光纤反馈回路模块(001、002)反馈至脉冲光源模块(1)中；

所述脉冲光源模块(1)包括脉冲激光器(101～104)，1×2光纤耦合器(105～108)；

所述脉冲激光器(101～104)输出波长、脉宽及峰值功率等参数可调的光脉冲信号；

所述1×2光纤耦合器(104～108)的分光比为50:50，作用为光能量均等耦合与分配；

所述光纤突触模块(2)包含光纤突触单元(201～204)、1×2光纤耦合器(205～208)以及光电探测器(209～212)；

所述光纤突触单元(201～204)由单模光纤(201-1)、相变材料(201-2)以及防氧化层(201-3)组成；

所述相变材料(201-2)是硫系化合物，由Ge、Sb、Te、Se以一定比例组成的半导体材料，例如Ge₂Sb₂Te₅(GST)等；

所述相变材料(201-2)存在至少两种晶格状态，即晶态、非晶态。其不同状态下的光学性质存在显著差异；

所述相变材料(201-2)的相态受入射光脉冲能量调节，高能窄带光脉冲使其非晶化，低能宽带光脉冲使其晶化，晶态的反射率高、透射率低、吸收率高，非晶态的反射率低、透射率高、吸收率低；

所述防氧化层(201-3)由金(Au)、二氧化硅(SiO₂)以及氧化铟锡(ITO)等不易氧化的材料组成；

所述防氧化层(201-3)功能为防止相变材料裸露在空气中被氧化；

所述相变材料(201-2)和防氧化层(201-3)以射频磁控溅射的方式镀在单模光纤(201-1)的侧面孔中，其中膜层底部与单模光纤(201-1)的纤芯保持倏逝场最佳距离，使得纤芯中光能量能够高效的与膜层耦合；

所述1×2光纤耦合器(205～208)的分光比为90:10，将少部分能量引出至光电探测器(209～212)中，用以探测光纤突触单元(201～204)的权重大小，大部分能量向后传递至光纤胞体模块(3)中；

所述光纤突触模块(2)中，相变材料(201-2)通过倏逝场的方式与光脉冲耦合作用，使得光脉冲充分调节相变材料(201-2)的状态，那么各个光纤突触单元(201～204)的权重受各自入射的光脉冲调制，即能量较高的窄带光脉冲会使其趋向于非晶化，此时透射率逐渐升高，对应权重升高，反之透射率降低，对应权重降低；

所述光纤突触模块(2)中，定义光纤突触单元(201～204)处于非晶态时，此时相变材料(201-2)对光能量的透射率高，权重处于“1”；光纤突触单元(201～204)处于晶态时，此时相变材料(201-2)对光能量的透射率低，权重处于“0”；

所述光纤胞体模块(3)包括密集波分复用器.1(301)、光纤环形器(302)、1×2光纤耦合器(303、307)、光纤胞体单元(304)、胞体探测脉冲源(305)、光纤隔离器(306)、光纤带通滤波器.2(308)以及光纤带通滤波器.1(310)；

所述密集波分复用器.1(301)将光纤突触单元(201～204)出射的各波长光脉冲耦合至一根纤芯中，向后传递；

所述光纤环形器(302)将光能量通过1端口输入至2端口输出，进入后续的光纤胞体单元(304)中，并将光纤胞体单元(304)反射的光能量通过2端口输入至3端口输出至后续光路中；

所述1×2光纤耦合器(303、307)的分光比为50:50，作用为光能量均等耦合与分配；

所述光纤胞体单元(304)包括单模光纤(304-1)、相变材料(304-2)以及防氧化层(304-3)；

所述单模光纤(304-1)、相变材料(304-2)以及防氧化层(304-3)的组成成分及制备方法与单模光纤(201-1)、相变材料(201-2)以防氧化层(201-3)一致，仅相变材料(201-2、304-2)的厚度存在差异，这是由于光纤突触单元(201～204)与光纤胞体单元(304)中光脉冲的耦合机理不一致；

所述光纤胞体单元(304)中利用相变材料(201-2)不同相态下反射率存在差异，当相变材料(201-2)处于晶态时反射率高、处于非晶态时反射率低，那么该光纤胞体单元(304)存在一个光脉冲能量阈值，当输入光脉冲的总能量超过阈值时，光纤胞体单元(304)的反射率由低切换为高，即从无输出状态切换至高输出状态；

所述胞体探测脉冲源(305)发出能量较低的光脉冲信号，且波长与调节光纤突触单元(201～204)的光脉冲波长不一致；

所述光纤隔离器(306)使得光脉冲仅允许正向导通，防止反射的光脉冲射入胞体探测脉冲源(305)中导致光源损坏；

所述光纤带通滤波器.2(308)仅允许胞体探测脉冲源(305)发出的光脉冲波长通过，隔离调节光纤突触单元(201～204)的光脉冲波长；

所述光纤带通滤波器.1(310)允许调节光纤突触单元(201～204)的光脉冲波长通过，隔离胞体探测脉冲源(305)发出的光脉冲波长；

所述光纤反馈回路模块(001、002)包括光纤可调谐衰减器(001)与密集波分复用器.2(002)组成；

所述光纤可调谐衰减器(001)可用于切换光纤脉冲神经元的学习模式，当光纤可调谐衰减器(001)处于“高阻”状态时，反馈回路处于断开状态，光纤突触单元(201～204)仅受脉冲光源模块(1)调整，即通过外部监督器控制脉冲光源模块(1)出射光脉冲状态，使得光纤突触单元(201～204)趋向于目标权重分布状态，在此目标权重分布的情况下，合束光脉冲到达光纤胞体单元(304)的阈值，从而实现光能量的高输出，以此完成监督学习；当光纤可调谐衰减器(001)处于“导通”状态时，反馈回路处于全通状态，前序未达到光纤胞体单元(304)输出的合束光脉冲经过光纤带通滤波器(310)后传递至密集波分复用器.2(002)中分光，使得不同波长光脉冲能量分配至各自通道中去，反馈的光脉冲与脉冲光源模块(1)存在持续供给的通道中光脉冲叠加，通过多次叠加实现光纤突触单元(201～204)权重分布的调节，在此循环反馈的过程中无外界干预，完全由光脉冲信号自主完成，当权重分布调节至目标状态时，合束光脉冲到达光纤胞体单元(304)的阈值，从而实现光能量的高输出，以此非完成监督学习；

所述光纤脉冲神经元完成监督学习或非监督学习下的模式状态认知后，能够实现模式识别任务，此时将脉冲激光器(101～104)保持断开状态，光信号由密集波分复用器.2(002)传入至光纤脉冲神经元中，当传入的光能量中涵盖有目标波长的能量分布时，光纤脉冲神经元有输出，反之则保持无输出状态。