基于半导体激光器非线性动力学系统的储备池计算
发布时间：2022-01-25 20:49
为了解决诸如图像识别、混沌时间序列预测、分类等复杂任务,研究人员努力寻找比传统数字计算机效率更高、计算能力更强的新方法。储备池计算（Reservoir computing,RC）是机器学习领域出现的一种新颖计算方法,其计算方式完全不同于传统数字计算机,在处理复杂任务时表现出高效率和高精度的特点。RC起源于递归神经网络,但是消除了递归神经网络中训练困难的缺陷,因而更易于在实践中应用。RC在处理任务过程中,需要利用非线性特征映射将输入信号从低维空间映射到高维空间,其可基于两种不同方式实现:一是基于大量的非线性节点;二是基于单个非线性节点加外部反馈环,由沿延迟反馈环的等间隔输出作为虚拟节点。基于后者的RC简称延时型RC,其结构非常简单,可极大程度减低RC系统的实施难度。2011年,首次报道了基于一个混沌电路加延迟反馈环的延时RC系统,该系统以0.1 KSa/s的数据处理速率进行10阶非线性自回归移动平均（NARMA10）测试时,预测误差低至2.3%。在处理随时间变化的信息时,高速、高准确率是RC追求的永恒目标。相对于电路的延时RC,光电或全光延时RC更具优势。特别地,由于半导体激光器（Sem...
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
单个非线性节点加延时反馈环构成储备池的电路RC实验系统示意图[30]
图 1-6 单个非线性节点加延时反馈环构成储备池的电路 RC 实验系统示意图[30]图 1-6 即为 L. Appeltant 等人提出的单个非线性节点加延时反馈环构成储备池的C 实验系统示意图。其非线性器件选用了 Mackey-Glass 振荡器[52]，这种器件的已经被广泛研究并易于在电路中实现[53]。并在此基础上系统引入了输入项，可为：[ ( ) ( )]( ) ( )1 [ ( ) ( )]pX t J tX t X tX t J t (1-1，X 表示系统的动态变量， X 表示其相对于无量纲的时间 t 的导数，τ 是反馈环时间。系统的响应时间 T（在开环情况下决定变量 X 的衰减率）归一化为 1。参 γ 分别代表反馈强度和输入缩放因子。η的大小很大程度上决定了系统在没有输况下是运行于稳态还是振荡状态。这个系统在电路中实现的另一个优点是其参数性[54]，通过调整指数 p 可以使系统具有适当的非线性。这里选取了 γ=0.5，p=。L. Appeltant 等人使用这个实验结构成功验证了单个数字语音识别及 NARMA-，其结果如下图所示：
图 1-9 光电反馈 RC 系统示意图[56]由下面的延时微分方程来描述：20 X ( s ) X ( s ) sin ( X ( s 1) u(s) )时间 τD归一化为 1，相应的 s=t/τD为归一化时间， =TR/τD是振荡ρ 为输入信号相对于反馈信号 X(t)的强度，μ 为反馈强度调节因个系统中各个参数都可以精确地调节，反馈增益 β 可以通过激光只需通过施加到 MZM 直流电极的电压即可调节。系统的响应时，为相应开环结构（将反馈线断开）时的响应时间。 等人提出的这个光电反馈 RC 系统使用 τD=20.87 us 的反馈环，则相邻两个虚拟节点的间隔 θ = τD/N=52.18 ns，其测得的系统响得注意的是，虚拟节点间隔 θ 约为 0.2TR，这个设置保证了在每都能处于瞬态响应。在任务测试中，应用 TI46 数字语音识别任估。输入 475 个随机选择的训练样本，将系统的暂态响应作为储于训练读出权重。使用了岭回归计算方法得出 Wout，并用其他未
【参考文献】：
期刊论文
[1]储备池计算硬件实现方案研究进展[J]. 李磊,方捻,王陆唐,黄肇明. 激光与光电子学进展. 2017(08)
[2]Experimental investigation on the time-delay signature of chaotic output from a 1550 nm VCSEL subject to FBG feedback[J]. Zhu-Qiang Zhong,Zheng-Mao Wu,Guang-Qiong Xia. Photonics Research. 2017(01)
[3]基于偏振旋转耦合1550nm垂直腔面发射激光器环形系统产生多路高质量混沌信号[J]. 杨峰,唐曦,钟祝强,夏光琼,吴正茂. 物理学报. 2016(19)
[4]混沌光子储备池计算研究进展[J]. 赵清春,殷洪玺. 激光与光电子学进展. 2013(03)
[5]储备池计算概述[J]. 彭宇,王建民,彭喜元. 电子学报. 2011(10)
[6]基于Kalman滤波的储备池多元时间序列在线预报器[J]. 韩敏,王亚楠. 自动化学报. 2010(01)
[7]半导体激光器在医疗上的应用及其前景展望[J]. 苏华,李守春,王立军. 应用激光. 2006(02)
[8]半导体激光器的最新进展及其应用[J]. 李学千. 长春光学精密机械学院学报. 1997(04)
博士论文
[1]光注入及光电反馈垂直腔面发射激光器的非线性动力学特性研究[D]. 陈建军.西南大学 2017
[2]光纤布拉格光栅外腔半导体激光器的非线性动力学特性研究[D]. 钟祝强.西南大学 2017
硕士论文
[1]基于光反馈混沌储备池计算的分组头识别研究[D]. 秦杰.大连理工大学 2017
[2]光电反馈混沌储备池计算及其识别应用的研究[D]. 靳雨.大连理工大学 2016
[3]基于混沌的保密通信和波形识别的应用研究[D]. 岳荷荷.大连理工大学 2015
本文编号：3609188
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
单个非线性节点加延时反馈环构成储备池的电路RC实验系统示意图[30]
图 1-6 单个非线性节点加延时反馈环构成储备池的电路 RC 实验系统示意图[30]图 1-6 即为 L. Appeltant 等人提出的单个非线性节点加延时反馈环构成储备池的C 实验系统示意图。其非线性器件选用了 Mackey-Glass 振荡器[52]，这种器件的已经被广泛研究并易于在电路中实现[53]。并在此基础上系统引入了输入项，可为：[ ( ) ( )]( ) ( )1 [ ( ) ( )]pX t J tX t X tX t J t (1-1，X 表示系统的动态变量， X 表示其相对于无量纲的时间 t 的导数，τ 是反馈环时间。系统的响应时间 T（在开环情况下决定变量 X 的衰减率）归一化为 1。参 γ 分别代表反馈强度和输入缩放因子。η的大小很大程度上决定了系统在没有输况下是运行于稳态还是振荡状态。这个系统在电路中实现的另一个优点是其参数性[54]，通过调整指数 p 可以使系统具有适当的非线性。这里选取了 γ=0.5，p=。L. Appeltant 等人使用这个实验结构成功验证了单个数字语音识别及 NARMA-，其结果如下图所示：
图 1-9 光电反馈 RC 系统示意图[56]由下面的延时微分方程来描述：20 X ( s ) X ( s ) sin ( X ( s 1) u(s) )时间 τD归一化为 1，相应的 s=t/τD为归一化时间， =TR/τD是振荡ρ 为输入信号相对于反馈信号 X(t)的强度，μ 为反馈强度调节因个系统中各个参数都可以精确地调节，反馈增益 β 可以通过激光只需通过施加到 MZM 直流电极的电压即可调节。系统的响应时，为相应开环结构（将反馈线断开）时的响应时间。 等人提出的这个光电反馈 RC 系统使用 τD=20.87 us 的反馈环，则相邻两个虚拟节点的间隔 θ = τD/N=52.18 ns，其测得的系统响得注意的是，虚拟节点间隔 θ 约为 0.2TR，这个设置保证了在每都能处于瞬态响应。在任务测试中，应用 TI46 数字语音识别任估。输入 475 个随机选择的训练样本，将系统的暂态响应作为储于训练读出权重。使用了岭回归计算方法得出 Wout，并用其他未
【参考文献】：
期刊论文
[1]储备池计算硬件实现方案研究进展[J]. 李磊,方捻,王陆唐,黄肇明. 激光与光电子学进展. 2017(08)
[2]Experimental investigation on the time-delay signature of chaotic output from a 1550 nm VCSEL subject to FBG feedback[J]. Zhu-Qiang Zhong,Zheng-Mao Wu,Guang-Qiong Xia. Photonics Research. 2017(01)
[3]基于偏振旋转耦合1550nm垂直腔面发射激光器环形系统产生多路高质量混沌信号[J]. 杨峰,唐曦,钟祝强,夏光琼,吴正茂. 物理学报. 2016(19)
[4]混沌光子储备池计算研究进展[J]. 赵清春,殷洪玺. 激光与光电子学进展. 2013(03)
[5]储备池计算概述[J]. 彭宇,王建民,彭喜元. 电子学报. 2011(10)
[6]基于Kalman滤波的储备池多元时间序列在线预报器[J]. 韩敏,王亚楠. 自动化学报. 2010(01)
[7]半导体激光器在医疗上的应用及其前景展望[J]. 苏华,李守春,王立军. 应用激光. 2006(02)
[8]半导体激光器的最新进展及其应用[J]. 李学千. 长春光学精密机械学院学报. 1997(04)
博士论文
[1]光注入及光电反馈垂直腔面发射激光器的非线性动力学特性研究[D]. 陈建军.西南大学 2017
[2]光纤布拉格光栅外腔半导体激光器的非线性动力学特性研究[D]. 钟祝强.西南大学 2017
硕士论文
[1]基于光反馈混沌储备池计算的分组头识别研究[D]. 秦杰.大连理工大学 2017
[2]光电反馈混沌储备池计算及其识别应用的研究[D]. 靳雨.大连理工大学 2016
[3]基于混沌的保密通信和波形识别的应用研究[D]. 岳荷荷.大连理工大学 2015
本文编号：3609188
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