本發(fā)明涉及光子信息處理技術(shù)，具體是一種基于色散效應(yīng)的全模擬時(shí)序預(yù)測(cè)儲(chǔ)備池計(jì)算系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著科技的不斷發(fā)展，時(shí)序預(yù)測(cè)技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色，包括金融、氣象學(xué)、醫(yī)學(xué)等。然而，傳統(tǒng)的時(shí)序預(yù)測(cè)方法在面對(duì)多變的、高維度的時(shí)序數(shù)據(jù)時(shí)往往表現(xiàn)不佳。具體挑戰(zhàn)包括對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)的依賴(lài)、計(jì)算復(fù)雜度高以及模型的局限性。

2、色散效應(yīng)是光學(xué)中的一個(gè)重要現(xiàn)象，指的是不同頻率的光波在介質(zhì)中傳播速度不同。這一特性已經(jīng)在分光、光通信等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本專(zhuān)利的技術(shù)背景突出了將色散效應(yīng)引入時(shí)序預(yù)測(cè)系統(tǒng)的創(chuàng)新思路，以期通過(guò)光學(xué)傳播優(yōu)化時(shí)序數(shù)據(jù)的處理。此外，儲(chǔ)備池計(jì)算作為一種新興的計(jì)算理論，其應(yīng)用前景廣泛。在時(shí)序預(yù)測(cè)中，通過(guò)構(gòu)建具有豐富動(dòng)力學(xué)行為的儲(chǔ)備池，可以更好地捕捉時(shí)序數(shù)據(jù)中的復(fù)雜模式。同時(shí)，儲(chǔ)備池計(jì)算具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性和可擴(kuò)展性，這為系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提供了保障。本專(zhuān)利的創(chuàng)新之處在于將色散效應(yīng)與儲(chǔ)備池計(jì)算相融合，通過(guò)在儲(chǔ)備池中引入色散效應(yīng)，使系統(tǒng)能夠更加敏感地響應(yīng)不同頻率的時(shí)序變化。這一融合為時(shí)序預(yù)測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)了更為豐富的信息表達(dá)能力，有望克服傳統(tǒng)循環(huán)延時(shí)環(huán)路方法中的局限性。更重要的是，時(shí)序預(yù)測(cè)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性也是實(shí)際應(yīng)用中必不可少的考量因素。因此，基于色散效應(yīng)的全模擬時(shí)序預(yù)測(cè)系統(tǒng)在儲(chǔ)備池計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過(guò)光學(xué)傳播的方式實(shí)現(xiàn)信息處理，同時(shí)具備較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。這一特性使得系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同規(guī)模和復(fù)雜度的時(shí)序數(shù)據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于色散效應(yīng)的全模擬時(shí)序預(yù)測(cè)的前饋傳播的儲(chǔ)備池計(jì)算系統(tǒng)，為了克服這些限制，我們提出了一種基于色散效應(yīng)的全模擬時(shí)序預(yù)測(cè)的前饋傳播的儲(chǔ)備池計(jì)算系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在提高時(shí)序預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性、速度和可擴(kuò)展性。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

3、一種基于色散效應(yīng)的全模擬時(shí)序預(yù)測(cè)儲(chǔ)備池計(jì)算系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，包括:光源陣列模塊、輸入層模塊、全光儲(chǔ)備池層模塊和光電模擬讀出層模塊；

4、所述光源陣列模塊，用于為整個(gè)系統(tǒng)提供光源，

5、所述輸入層模塊，用于接收外部輸入信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電調(diào)制信號(hào)傳輸至所述全光儲(chǔ)備池層模塊；

6、所述全光儲(chǔ)備池層模塊，用于接收來(lái)來(lái)自所述輸入層模塊的調(diào)制信號(hào)，并加載到所述光源陣列模塊的光信號(hào)上，通過(guò)時(shí)序信息的短期非線(xiàn)性記憶處理形成光脈沖信息序列，并傳輸至所述光電模擬讀出層模塊；

7、所述光電模擬讀出層模塊用于解析和讀取所述全光儲(chǔ)備層模塊中的信息，通過(guò)權(quán)重訓(xùn)練獲得相應(yīng)的權(quán)重值，并執(zhí)行線(xiàn)性回歸操作獲得輸出結(jié)果。

8、進(jìn)一步，所述全光儲(chǔ)備池層模塊至少包括光電調(diào)制器和色散器件；所述光源陣列模塊的輸出端與所述光電調(diào)制器的第一輸入端相連，所述輸出層模塊的輸出端與所述光電調(diào)制器的第二輸入端相連，所述光電調(diào)制器的輸出端經(jīng)所述色散器件與光電模擬讀出層模塊相連，使經(jīng)過(guò)色散影響的波形，經(jīng)所述光電模擬讀出層模塊實(shí)行線(xiàn)性回歸。

9、進(jìn)一步，所述全光儲(chǔ)備池層模塊還包括光放大大器，該光放大器的輸入端與所述所述色散器件的輸出端相連，用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行增益放大后，傳輸至所述光電模擬讀出層模塊。

10、進(jìn)一步，所述光電模擬讀出層模塊包括的解復(fù)用器、由n個(gè)延遲陣列單元組成的延遲陣列模塊、由n個(gè)延遲陣列單元組成的可變衰減器陣列，以及合波器；

11、所述光放大大器的輸出端與所述的解復(fù)用器的輸入端相連，該所述所述的解復(fù)用器將不同頻率的光波分成n路光信號(hào)，該解復(fù)用器的n路輸出端與n個(gè)延遲陣列單元的輸入端相連，使鏈路的信號(hào)對(duì)齊，各延遲陣列單元的輸出端與對(duì)應(yīng)的各個(gè)延遲陣列單元輸入端相連，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性回歸操作的乘法操作，用所述的可變衰減器的衰減值量來(lái)實(shí)現(xiàn)權(quán)重的乘法因子，各個(gè)延遲陣列單元輸出端與所述合波器的輸入端相連，合成一路信號(hào)后，傳輸入所述的光電探測(cè)器，該所述的光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)到電信號(hào)，同時(shí)將這不同頻率的對(duì)齊后光波信號(hào)進(jìn)行相加，最終將合并的信號(hào)進(jìn)行輸出，得到模擬預(yù)測(cè)結(jié)果。

12、優(yōu)選的，所述光源陣列模塊采用被動(dòng)鎖模激光器、主動(dòng)鎖模激光器、分布反饋布拉格半導(dǎo)體激光器(dfb-ld)和垂直腔面發(fā)射激光器(vcsel)。

13、優(yōu)選的，所述輸入層模塊采用但不限于強(qiáng)度調(diào)制的信號(hào)，如高斯脈沖形狀或者sinc的之類(lèi)的脈沖信號(hào)。

14、優(yōu)選的，所述光電調(diào)制器采用但不限于鈮酸鋰電光調(diào)制器、聚合物電光調(diào)制器、硅基集成電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器或空間光調(diào)制器。

15、優(yōu)選的，所述合波器采用但不限于波分復(fù)用器。

16、優(yōu)選的，所述色散器件采用但不限于棱鏡、光柵、色散棱鏡、光學(xué)光纖、波片、光柵耦合器和色散補(bǔ)償器。

17、優(yōu)選的，所述光放大器采用但不限于光纖拉曼放大器、摻鉺光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器和摻鉺半導(dǎo)體激光器。

18、優(yōu)選的，所述解復(fù)用器采用但不限于波分解復(fù)用器。

19、優(yōu)選的，所述光信號(hào)延遲模塊采用但不限于光纖延時(shí)線(xiàn)、光纖回旋鏡、波導(dǎo)延時(shí)器、光學(xué)單元波導(dǎo)、相位調(diào)制器和可調(diào)諧光濾波器。

20、優(yōu)選的，所述可調(diào)衰減模塊采用但不限于電子可調(diào)光衰減器、機(jī)械可調(diào)光衰減器、光學(xué)可調(diào)衰減器、可調(diào)光柵和波導(dǎo)可調(diào)衰減器。

21、優(yōu)選的，所述光電探測(cè)器采用但不限于光電二極管、光電導(dǎo)探測(cè)器和量子點(diǎn)探測(cè)器。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

23、1)提高預(yù)測(cè)精度：通過(guò)引入色散效應(yīng)，系統(tǒng)能夠更敏感地捕捉脈沖信號(hào)的時(shí)序展寬的形態(tài)變化，從而提高預(yù)測(cè)的精度。

24、2)高效的信息處理：圖2所示的儲(chǔ)備池網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是前饋傳播方式，使得信息在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中是單向傳播，這一過(guò)程沒(méi)有反饋回路。這種前饋傳播方式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有簡(jiǎn)單性、穩(wěn)定性、訓(xùn)練效率和并行性等優(yōu)勢(shì)。特別是在處理靜態(tài)輸入數(shù)據(jù)時(shí)，該系統(tǒng)表現(xiàn)出高效的信息處理能力，同時(shí)也能夠處理復(fù)雜的時(shí)序數(shù)據(jù)。

25、3)實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性：系統(tǒng)通過(guò)并行計(jì)算和硬件加速等手段，保障了在實(shí)時(shí)任務(wù)中的高效性，同時(shí)可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)使其適用于不同規(guī)模的數(shù)據(jù)處理。

26、4)本發(fā)明突出了色散效應(yīng)、儲(chǔ)備池計(jì)算和前饋傳播的融合創(chuàng)新，為解決傳統(tǒng)時(shí)序預(yù)測(cè)方法的局限性提供了全新的思路。通過(guò)引入光學(xué)傳播的色散效應(yīng)，我們期望實(shí)現(xiàn)更為精確、高效的時(shí)序預(yù)測(cè)，從而在多個(gè)領(lǐng)域推動(dòng)科技的進(jìn)步。

技術(shù)特征：

1.一種基于色散效應(yīng)的全模擬時(shí)序預(yù)測(cè)儲(chǔ)備池計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，包括:光源陣列模塊(1)、輸入層模塊(2)、全光儲(chǔ)備池層模塊(3)和光電模擬讀出層模塊(4)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于色散效應(yīng)的全模擬時(shí)序預(yù)測(cè)儲(chǔ)備池計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，所述全光儲(chǔ)備池層模塊(3)至少包括光電調(diào)制器(3-1)和色散器件(3-2)；所述光源陣列模塊(1)的輸出端與所述光電調(diào)制器(3-1)的第一輸入端相連，所述輸出層模塊(2)的輸出端與所述光電調(diào)制器(3-1)的第二輸入端相連，所述光電調(diào)制器(3-1)的輸出端經(jīng)所述色散器件(3-2)與光電模擬讀出層模塊(4)相連，使經(jīng)過(guò)色散影響的波形，經(jīng)所述光電模擬讀出層模塊(4)實(shí)行線(xiàn)性回歸。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于色散效應(yīng)的全模擬時(shí)序預(yù)測(cè)儲(chǔ)備池計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，所述全光儲(chǔ)備池層模塊(3)還包括光放大大器(3-3)，該光放大器(3-3)的輸入端與所述所述色散器件(3-2)的輸出端相連，用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行增益放大后，傳輸至所述光電模擬讀出層模塊(4)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于色散效應(yīng)的全模擬時(shí)序預(yù)測(cè)儲(chǔ)備池計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，其特征在于，所述光電模擬讀出層模塊(4)包括的解復(fù)用器(4-1)、由n個(gè)延遲陣列單元(4-2)組成的延遲陣列模塊(4-3)、由n個(gè)延遲陣列單元(4-4)組成的可變衰減器陣列(4-5)，以及合波器(4-6)；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于色散效應(yīng)的全模擬時(shí)序預(yù)測(cè)儲(chǔ)備池計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，所述光源陣列模塊(1)采用被動(dòng)鎖模激光器、主動(dòng)鎖模激光器、分布反饋布拉格半導(dǎo)體激光器(dfb-ld)和垂直腔面發(fā)射激光器(vcsel)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于色散效應(yīng)的全模擬時(shí)序預(yù)測(cè)儲(chǔ)備池計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，所述輸入層模塊(2)采用但不限于強(qiáng)度調(diào)制的信號(hào)，如高斯脈沖形狀或者sinc的之類(lèi)的脈沖信號(hào)；所述光電調(diào)制器(3-1)采用但不限于鈮酸鋰電光調(diào)制器、聚合物電光調(diào)制器、硅基集成電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器或空間光調(diào)制器；所述合波器(1-2)采用但不限于波分復(fù)用器；所述色散器件(3-2)采用但不限于棱鏡、光柵、色散棱鏡、光學(xué)光纖、波片、光柵耦合器和色散補(bǔ)償器；所述光放大器(3-3)采用但不限于光纖拉曼放大器、摻鉺光纖放大器、半導(dǎo)體光放大器和摻鉺半導(dǎo)體激光器。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于色散效應(yīng)的全模擬時(shí)序預(yù)測(cè)儲(chǔ)備池計(jì)算系統(tǒng)，其特征在于，所述解復(fù)用器(4-1)采用但不限于波分解復(fù)用器；所述光信號(hào)延遲模塊(4-3)采用但不限于光纖延時(shí)線(xiàn)、光纖回旋鏡、波導(dǎo)延時(shí)器、光學(xué)單元波導(dǎo)、相位調(diào)制器和可調(diào)諧光濾波器；所述可調(diào)衰減模塊(4-5)采用但不限于電子可調(diào)光衰減器、機(jī)械可調(diào)光衰減器、光學(xué)可調(diào)衰減器、可調(diào)光柵和波導(dǎo)可調(diào)衰減器；所述光電探測(cè)器(4-7)采用但不限于光電二極管、光電導(dǎo)探測(cè)器和量子點(diǎn)探測(cè)器。

技術(shù)總結(jié)
一種基于色散效應(yīng)的全模擬時(shí)序預(yù)測(cè)儲(chǔ)備池計(jì)算系統(tǒng)，包括光源陣列模塊、輸入層模塊、全光儲(chǔ)備池層模塊和光電模擬讀出層模塊；輸入層模塊用于接收外部輸入信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電調(diào)制信號(hào)傳輸至全光儲(chǔ)備池層模塊；全光儲(chǔ)備池層模塊將調(diào)制信號(hào)加載到光信號(hào)上，通過(guò)時(shí)序信息的短期非線(xiàn)性記憶處理形成光脈沖信息序列，并傳輸至所述光電模擬讀出層模塊；光電模擬讀出層模塊用于解析和讀取所述全光儲(chǔ)備層模塊中的信息，通過(guò)權(quán)重訓(xùn)練獲得相應(yīng)的權(quán)重值，并執(zhí)行線(xiàn)性回歸操作獲得輸出結(jié)果。本發(fā)明利用色散器件引起的脈沖展寬效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)備層，通過(guò)光電模擬讀出層模塊實(shí)現(xiàn)光電模擬讀出層的線(xiàn)性回歸操作，提升時(shí)序預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度和響應(yīng)速度。

技術(shù)研發(fā)人員：鄒衛(wèi)文,張俊峰,馬伯文,周勝堯,易思成
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17