本发明专利技术属于光信息计算技术领域，具体涉及一种基于多芯光纤的全光卷积计算系统，包括光脉冲源调制模块、图像输入模块、多芯光纤卷积核模块以及光累加模块，光脉冲源调制模块、图像输入模块、多芯光纤卷积核模块以及光累加模块通信连接；光脉冲源调制模块发出光脉冲至多芯光纤卷积核模块中编程卷积核，图像像素依次被输入到图像输入模块后进入多芯光纤卷积核模块，卷积核对图像输入模块中每个像素进行加权乘法，后经过光累加模块进行加和。本发明专利技术中的基底采用多芯光纤，其纤芯中传输的信号之间不会相互干扰，并可以用于电磁干扰、极端温度等恶劣环境条件；此外，可以与现有的光通讯网络直接耦合且没有对齐问题。
1、基于光卷积核的全光卷积神经网络(cpnn)架构通常具有固定的权值，不需要实时更新，并且可以通过相位调制或波分复用轻松被动地执行加权乘法和累加。全光卷积神经网络(cpnn)一旦设置了权重，网络的延迟仅受光速和最终光电转换输出的限制，相比传统的电卷积神经网络，全光卷积神经网络(cpnn)具有高调制速率、低功耗和大通道并行能力等优点。在全光卷积神经网络(cpnn)中，输入信号由不同权重的节点单独加权。多个节点能够构成卷积核，卷积核可以被设计成各种权重来计算输入图像，如提取边缘特征、滤波和锐化。
2、本专利技术提供了一种基于多芯光纤的全光卷积计算系统，在多芯光纤上依次沉积非易失性相变材料膜层和防氧化膜层来构造卷积核；各个纤芯中注入不同功率的激光脉冲改变相变材料膜层的状态，即编程卷积核；不同相态的相变材料的折射率和吸收系数不同导致经过的光被执行不同程度的加权乘法，后经过光纤耦合器被累加，实现全光卷积计算。
1、本专利技术的目的是提供一种基于多芯光纤的全光卷积计算系统，在多芯光纤上依次沉积非易失性相变材料膜层和防氧化膜层来构造卷积核；各个纤芯中注入不同功率的激光脉冲改变相变材料膜层的状态，即编程卷积核；不同相态的相变材料的折射率和吸收系数不同导致经过的光被执行不同程度的加权乘法，后经过光纤耦合器被累加，实现全光卷积计算。
>3、一种基于多芯光纤的全光卷积计算系统，包括光脉冲源调制模块、图像输入模块、多芯光纤卷积核模块以及光累加模块，所述光脉冲源调制模块、所述图像输入模块、所述多芯光纤卷积核模块以及所述光累加模块通信连接。4、优选地，所述光脉冲源调制模块包括脉冲激光器；三个所述脉冲激光器通过发出不同功率的脉冲序列编程所述多芯光纤卷积核模块中的卷积核。
5、优选地，三个所述脉冲激光器发出的光脉冲功率可调，功率和所述多芯光纤卷积核模块中的卷积核的权重一一对应。
6、优选地，所述图像输入模块包括宽谱光源、n通道解复用器、可调节衰减器、2×2光纤耦合器、光纤隔离器、n通道光波分复用器以及多芯光纤扇入单元。
7、优选地，所述n通道解复用器能够将宽谱光源输出的混合光信号分解为多路光波长信号，其n个输出端口对应输出n个不同的波长，端口数量n与三个所述脉冲激光器、三个所述可调节衰减器以及三个所述2×2光纤耦合器的数量相同；
8、三个所述2×2光纤耦合器的两个输入端口分别连接三个所述脉冲激光器和三个所述可调节衰减器；
9、三个所述2×2光纤耦合器的一个输出端口直接连接到多芯光纤扇入单元，另一个输出端口分别连接到三个所述第一光纤隔离器后经过所述第一n通道光波分复用器耦合后再输入到多芯光纤扇入单元用作参考路；
10、所述第一n通道光波分复用器能够将n通道的光波长信号复用在一个通道传播，且波长和个数n与n通道解复用器相对应；
11、所述多芯光纤扇入单元的输入通道与所述多芯光纤卷积核模块的纤芯一一对应；
12、三个所述第一光纤隔离器仅允许光单向通过。
13、优选地，所述多芯光纤卷积核模块包括多芯光纤的四个多芯光纤卷积核，每个所述多芯光纤卷积核均包括纤芯、相变材料膜层和防氧化膜层；
14、所述相变材料膜层为硫系化合物；
15、所述相变材料膜层至少存在可被光脉冲调节的两种相态；
16、所述防氧化膜的材质为氧化铟锡。
17、优选地，所述光累加模块包括多芯光纤扇出单元、三个第二光纤隔离器、第二n通道光波分复用器、光电平衡探测器、数据采集卡、上位机；
18、所述多芯光纤扇出单元的输出通道与多芯光纤卷积核模块的纤芯一一对应。
19、优选地，所述光纤隔离器仅允许光单向通过；
20、所述第二n通道光波分复用器的端口数量n比多芯光纤扇出单元的输出通道的数量少一个；
21、所述光电平衡探测器具有正值输入端口和负值输入端口，光电平衡探测器的输出值依赖于正值输入端口输入的光强减去负值输入端口的光强的差值；
22、所述光电平衡探测器的正值输入端口连接的是第二n通道光波分复用器的输出端；
23、所述光电平衡探测器的负值输入端口连接的是图像输入模块中的第一n通道光波分复用器输入到多芯光纤卷积核模块的纤芯所对应的多芯光纤扇出单元的输出端；
24、所述光电平衡探测器将输入的光信号转化为电信号向后传递至数据采集卡中，经由数据采集卡中将数据传输至上位机中监测与显示；
25、所述上位机与数据采集卡进行交互。
26、本专利技术取得的技术效果为：
27、1.本专利技术中执行卷积计算的部分完全借助光学方法，因此具备光波的传输速度，相比基于电的卷积计算方案计算速度大幅提升；激光的大带宽的性质使得光波可以携带更多的信息，以用于并行卷积计算；
28、2.本专利技术中的卷积核采用非易失的相变材料，因此在执行卷积操作时不需要额外的能量来维持状态，具有零功率损耗；
29、3.本专利技术中的基底采用多芯光纤，其纤芯中传输的信号之间不会相互干扰，并可以用于电磁干扰、极端温度等恶劣环境条件；此外，可以与现有的光通讯网络直接耦合且没有对齐问题。
30、4.在多芯光纤上依次沉积非易失性相变材料膜层和防氧化膜层来构造卷积核；各个纤芯中注入不同功率的激光脉冲改变相变材料膜层的状态，即编程卷积核；不同相态的相变材料的折射率和吸收系数不同导致经过的光被执行不同程度的加权乘法，后经过光纤耦合器被累加，实现全光卷积计算。
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【技术保护点】
1.一种基于多芯光纤的全光卷积计算系统，其特征在于：包括光脉冲源调制模块(1)、图像输入模块(2)、多芯光纤卷积核模块(3)以及光累加模块(4)，所述光脉冲源调制模块(1)、所述图像输入模块(2)、所述多芯光纤卷积核模块(3)以及所述光累加模块(4)通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于多芯光纤的全光卷积计算系统，其特征在于：所述光脉冲源调制模块(1)包括脉冲激光器(101、102、103)；三个所述脉冲激光器(101、102、103)通过发出不同功率的脉冲序列编程所述多芯光纤卷积核模块(3)中的卷积核。
3.根据权利要求2所述的一种基于多芯光纤的全光卷积计算系统，其特征在于：三个所述脉冲激光器(101、102、103)发出的光脉冲功率可调，功率和所述多芯光纤卷积核模块(3)中的卷积核的权重一一对应。
4.根据权利要求3所述的一种基于多芯光纤的全光卷积计算系统，其特征在于：所述图像输入模块(2)包括宽谱光源(201)、n通道解复用器(202)、可调节衰减器(203，204，205)、2×2光纤耦合器(206，207，208)、第一光纤隔离器(209，210，211)、第一n通道光波分复用器(212)以及多芯光纤扇入单元(213)。
5.根据权利要求4所述的一种基于多芯光纤的全光卷积计算系统，其特征在于：所述n通道解复用器(202)的端口数量n与三个所述脉冲激光器(101、102、103)、三个所述可调节衰减器(203，204，205)以及三个所述2×2光纤耦合器(206，207，208)的数量相同；
6.根据权利要求5所述的一种基于多芯光纤的全光卷积计算系统，其特征在于：所述多芯光纤卷积核模块(3)包括多芯光纤的四个多芯光纤卷积核(301，302，303，304)，每个所述多芯光纤卷积核(301，302，303，304)均包括纤芯、相变材料膜层和防氧化膜层；
7.根据权利要求6所述的一种基于多芯光纤的全光卷积计算系统，其特征在于：所述光累加模块(4)包括多芯光纤扇出单元(401)、三个第二光纤隔离器(402，403，404)、第二n通道光波分复用器(405)、光电平衡探测器(406)、数据采集卡(407)、上位机(408)；
8.根据权利要求7所述的一种基于多芯光纤的全光卷积计算系统，其特征在于：所述光纤隔离器(402，403，404)仅允许光单向通过；
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【技术特征摘要】
1.一种基于多芯光纤的全光卷积计算系统，其特征在于：包括光脉冲源调制模块(1)、图像输入模块(2)、多芯光纤卷积核模块(3)以及光累加模块(4)，所述光脉冲源调制模块(1)、所述图像输入模块(2)、所述多芯光纤卷积核模块(3)以及所述光累加模块(4)通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于多芯光纤的全光卷积计算系统，其特征在于：所述光脉冲源调制模块(1)包括脉冲激光器(101、102、103)；三个所述脉冲激光器(101、102、103)通过发出不同功率的脉冲序列编程所述多芯光纤卷积核模块(3)中的卷积核。
3.根据权利要求2所述的一种基于多芯光纤的全光卷积计算系统，其特征在于：三个所述脉冲激光器(101、102、103)发出的光脉冲功率可调，功率和所述多芯光纤卷积核模块(3)中的卷积核的权重一一对应。
4.根据权利要求3所述的一种基于多芯光纤的全光卷积计算系统，其特征在于：所述图像输入模块(2)包括宽谱光源(201)、n通道解复用器(202)、可调节衰减器(203，204，205)、2×2光纤耦合器(206，207，208)、第一光纤隔离器(209，210，211)、第一n通道光波分...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄科涵，冯祎然，娄存恺，李亚茹，程思莹，李翔，张羽，刘志海，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：
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