【摘 要】
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在当今这个信息高速发展的时代,光子储备池计算(Photonics Reservoir Computing,PRC)系统在动态信息处理方面发挥着越来越重要的作用,已经广泛用于处理时间序列预测、模式识别及分类等任务。并且对信息处理速度提出了更高的要求,意味着储备池计算系统的信息处理速率需要进一步提升。因此,寻找一种高速光子储备池计算系统变得尤为重要。由于激光器中短光子寿命会带来更快的动力学响应,因而在
【基金项目】
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山西省基础研究计划自然科学研究面上项目(20210302123183); 国家自然科学基金国家青年项目(61705160);
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在当今这个信息高速发展的时代,光子储备池计算(Photonics Reservoir Computing,PRC)系统在动态信息处理方面发挥着越来越重要的作用,已经广泛用于处理时间序列预测、模式识别及分类等任务。并且对信息处理速度提出了更高的要求,意味着储备池计算系统的信息处理速率需要进一步提升。因此,寻找一种高速光子储备池计算系统变得尤为重要。由于激光器中短光子寿命会带来更快的动力学响应,因而在很大程度上影响着信息处理速率。同时,激光器光子寿命与内腔长度息息相关,并且从激光器速率方程(Lang-Kobayashi)中可知,改变内腔长度会引起激光器进入动力学状态所需的反馈强度、注入强度、阈值电流等参数的变化,进而影响PRC系统高性能所需的参数空间的变化。已有研究证实PRC系统中,虚拟节点间隔取0.2倍的弛豫振荡频率时,系统可获得较好的性能。这表明高弛豫振荡频率有助于得到更小的节点间隔,进而实现更高的信息处理速率。短腔半导体激光器的高弛豫振荡频率可以满足高速信息处理的需求,因此,在本文中研究了半导体激光器内腔长度对PRC系统性能及相应参数空间的影响。同时,我们发现了具有超短光子寿命、小体积,以及高偏置电流下可产生高弛豫振荡频率(约 11 GHz)特性的弧边六角(Circular-Side Hexagonal Resonator,CSHR)微腔激光器,可以很好的用于PRC系统的高速信息处理。本文开展的主要工作如下:(1)数值模拟了内腔长度对基于分布式反馈激光器PRC系统性能的影响。进一步分析了激光器反馈强度、注入强度、频率失谐、虚拟节点数等参数影响PRC系统性能的作用范围。结果表明,短内腔长度可显著提高信息处理速率。(2)研究了内腔长度对参数范围的影响,发现系统在执行Santa-Fe混沌时间序列预测任务时,在128 μm内腔长度下,使系统表现出良好预测性能的参数空间比600 μm内腔长度下高近20%,且处理10阶非线性自回归移动平均任务时可提高了大约40%。(3)构建了基于光反馈CSHR微腔激光器的储备池计算系统。数值模拟了通过调节关键参数(如反馈强度、注入强度、频率失谐、虚拟节点数等)寻找系统最优工作点。结果表明,在较大的参数空间内,系统均可实现10Gbps的信息处理速率,且随着技术的发展下,该系统有望实现25 Gbps的信息处理速率。
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