JP7601818B2 - Speckle generating circuit and optical neural network device - Google Patents
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Description
本発明は、人工知能分野で用いられるスペックル生成回路および光ニューラルネットワーク装置に関する。 The present invention relates to a speckle generation circuit and an optical neural network device used in the field of artificial intelligence.
人工知能は、脳の神経回路を模擬した計算モデルにより実際の知能に迫る高度な情報処理を実現しようとする研究分野で、近年様々な研究がなされている。人工知能では計算に用いるニューロンの数を増やすことで計算性能を向上できる。しかしながら、一般的な人工知能モデルはコンピュータのプログラムによる電気演算で実現されているため、ニューロン数を増やすと、演算に要する電力や処理遅延が増大することが課題となる。これに対して、電気演算の代わりに光干渉を用いて計算を行う「光リザバーコンピュータ」という技術がある。光リザバーコンピュータは、光回路の複数の出力信号に重み付けを行い、加算演算を行うことで情報処理を可能としている。 Artificial intelligence is a research field that aims to achieve advanced information processing approaching real intelligence by using computational models that mimic the neural circuits of the brain, and various research projects have been conducted in recent years. In artificial intelligence, computational performance can be improved by increasing the number of neurons used in calculations. However, because typical artificial intelligence models are realized by electrical calculations performed by computer programs, increasing the number of neurons poses the issue of increased power required for calculations and processing delays. To address this issue, there is a technology called "optical reservoir computer" that performs calculations using optical interference instead of electrical calculations. Optical reservoir computers enable information processing by weighting multiple output signals from optical circuits and performing addition calculations.
非特許文献1では、単一波長光源と、その光源の出力光を位相変調する光位相変調器と、光位相変調器からの出力光が伝搬するシングルモード導波路と、シングルモード導波路に接続され、曲線領域を有するマルチモード導波路と、マルチモード導波路からの出力光を光電変換する複数の受光素子と、複数の受光素子からの電気信号に重みを付ける機能と、重みを付けた電気信号を加算する機構を構成要素とした光ニューラルネットワーク装置(光リザバーコンピュータ)(図11A)に関する技術が開示されている。 Non-Patent Document 1 discloses technology relating to an optical neural network device (optical reservoir computer) (Fig. 11A) that includes components including a single-wavelength light source, an optical phase modulator that phase-modulates the output light from the light source, a single-mode waveguide through which the output light from the optical phase modulator propagates, a multi-mode waveguide that is connected to the single-mode waveguide and has a curved region, a number of light-receiving elements that photoelectrically convert the output light from the multi-mode waveguide, a function for weighting the electrical signals from the multiple light-receiving elements, and a mechanism for adding the weighted electrical signals.
その光ニューラルネットワーク装置の動作は、時間依存信号であるデータu(n)を位相変調器に印加して位相変調し、シングルモード導波路を伝搬した後、変調光を高次の空間モードを励振する働きをする曲線領域を有したマルチモード導波路で多数の空間モード光に変換し、モード間で伝搬の時間差を与えながら、導波路端で時間的に変化するスペックル(濃淡像)を生成させる(図11B)。なお、シングルモード導波路とマルチモード導波路の接続部のそれぞれの導波路の中心のずれ幅によって、導波路端で得られるスペックルも変わる。また、マルチモード導波路では、高次の空間モードと低次の空間モードの伝送路を伝搬する時間の差が生じることを利用して、マルチモード導波路の出力端で時間的なミキシングを発生させて、時間的な記憶の代用を果たしている。そのスペックルを受光素子で電気信号に変換し、各々の電気信号に各々の重みを乗じた後にそれら全てを総和演算した出力(推論値)を得る。各々の重みは、学習の段階で目標としたデータy(n)にほぼ一致するように設定する。 The operation of the optical neural network device is as follows: the data u(n), which is a time-dependent signal, is applied to a phase modulator to perform phase modulation, and the modulated light is then propagated through a single-mode waveguide. The modulated light is then converted into a number of spatial mode lights in a multi-mode waveguide having a curved region that functions to excite higher spatial modes, and a time-varying speckle (shade image) is generated at the end of the waveguide while providing a propagation time difference between the modes (Fig. 11B). The speckle obtained at the end of the waveguide also changes depending on the deviation of the center of each waveguide at the connection part between the single-mode waveguide and the multi-mode waveguide. In addition, in the multi-mode waveguide, a time-varying mixing is generated at the output end of the multi-mode waveguide by utilizing the difference in time that occurs when the higher spatial mode and the lower spatial mode propagate through the transmission path, thereby acting as a substitute for temporal memory. The speckle is converted into an electrical signal by a light-receiving element, and each electrical signal is multiplied by its respective weight, and then the output (inferred value) is obtained by summing all of them. Each weight is set so that it closely matches the target data y(n) during the learning phase.
このような光ニューラルネットワーク装置では、マルチモード導波路の空間モード数が人工知能のニューロン数に相当し、推論性能を上げるためにはニューロン数を多くすることが重要となる。 In such optical neural network devices, the number of spatial modes in the multimode waveguide corresponds to the number of neurons in artificial intelligence, and increasing the number of neurons is important for improving inference performance.
そのため、非特許文献1および非特許文献2では、マルチモード導波路の構造から計算される空間モード数は68であったが、高次の空間モードの励振が難しいため、実際には空間モード数は65で留まっていた。そのため、ニューロン数を増やす方法として、単一波長光源を複数用意し、それらを合波した後に、光位相変調器に入力し、光位相変調器からの出力で分波することにより、波長の数だけニューロン数を倍増させることを行っている。また、入力データの時間間隔の1/4毎で時分割して光電変換、重み付け、総和演算を行うことで、ニューロン数を仮想的に4倍にさせることを行っている。 In Non-Patent Documents 1 and 2, the number of spatial modes calculated from the structure of the multimode waveguide was 68, but because it is difficult to excite higher-order spatial modes, the number of spatial modes actually remained at 65. Therefore, as a method of increasing the number of neurons, multiple single-wavelength light sources are prepared, and after combining them, they are input to an optical phase modulator, and then split using the output from the optical phase modulator, thereby doubling the number of neurons by the number of wavelengths. In addition, the number of neurons is virtually quadrupled by time-dividing the input data at 1/4 of the time interval and performing photoelectric conversion, weighting, and summation.
しかしながら、非特許文献1および非特許文献2における光ニューラルネットワーク装置では、推論性能をさらに向上させる目的でニューロン数を増やそうとした場合、マルチモード導波路の空間モード数をさらに増やすことができない。また、波長数を増やしてニューロン数を増やすことはできるが、それはスペックルの1ヶ所の測定点の光だけを拾って、分波素子により波長を分波してニューロン数を増やしただけにすぎず、65ヶ所の測定点で波長を分波するには、受光素子の前段に配置する分波素子の大きさにより、波長数を大きく増やすことはできない。さらに、時分割数は、電子回路の動作速度の限界、およびニューロン同士の独立性の減少により増やせない。このような事情から、ニューロン数をさらに増やすことは困難であった。 However, in the optical neural network devices in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, when the number of neurons is increased in order to further improve the inference performance, the number of spatial modes of the multimode waveguide cannot be further increased. In addition, although the number of neurons can be increased by increasing the number of wavelengths, this merely increases the number of neurons by picking up only the light at one measurement point of the speckle and splitting the wavelengths using a splitter element. In order to split the wavelengths at 65 measurement points, the number of wavelengths cannot be increased significantly due to the size of the splitter element placed in front of the light receiving element. Furthermore, the number of time divisions cannot be increased due to the limit of the operating speed of the electronic circuit and the reduced independence of the neurons. For these reasons, it was difficult to further increase the number of neurons.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、マルチモード光信号に分配する際に、データ信号を光分岐回路で分岐し、分岐した光信号をディメンションの異なる複数のマルチモード導波路で高次モードに変換することにより、ニューロン数を増やすことを可能とするスペックル生成回路および光ニューラルネットワーク装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and aims to provide a speckle generation circuit and an optical neural network device that, when distributing a data signal into a multimode optical signal, can increase the number of neurons by branching the data signal using an optical branching circuit and converting the branched optical signals into higher-order modes using multiple multimode waveguides with different dimensions.
(1)上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明のスペックル生成回路は、光ニューラルネットワーク装置に用いられるスペックル生成回路であって、光源から光信号を受信し、位相変調を行う位相変調器と、前記位相変調された変調光を受信し、伝搬させる単一のシングルモード導波路と、前記シングルモード導波路に接続され、前記伝搬された変調光を複数に分岐させる光分岐素子と、前記分岐された各変調光を伝搬する複数のシングルモード導波路と、前記分岐後の各シングルモード導波路にそれぞれ接続され、前記伝搬された変調光からスペックルを生成する複数のマルチモード導波路と、を備えることを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, the present invention takes the following measures. That is, the speckle generating circuit of the present invention is a speckle generating circuit used in an optical neural network device, and is characterized in that it includes a phase modulator that receives an optical signal from a light source and performs phase modulation, a single single-mode waveguide that receives and propagates the phase-modulated modulated light, an optical branching element that is connected to the single-mode waveguide and branches the propagated modulated light into multiple light beams, multiple single-mode waveguides that propagate each of the branched modulated lights, and multiple multi-mode waveguides that are connected to each of the branched single-mode waveguides and generate speckles from the propagated modulated light.
(2)また、本発明のスペックル生成回路において、前記各マルチモード導波路は、導波路の幅がそれぞれ異なることを特徴としている。 (2) In the speckle generating circuit of the present invention, each of the multimode waveguides has a different waveguide width.
(3)また、本発明のスペックル生成回路において、前記各マルチモード導波路は、導波路の厚さがそれぞれ異なることを特徴としている。 (3) In the speckle generating circuit of the present invention, each of the multimode waveguides has a different thickness.
(4)また、本発明のスペックル生成回路において、前記各マルチモード導波路は、導波路の長さがそれぞれ異なることを特徴としている。 (4) In the speckle generating circuit of the present invention, each of the multimode waveguides has a different waveguide length.
(5)また、本発明のスペックル生成回路において、前記各マルチモード導波路は、前記分岐後の各シングルモード導波路の中心軸および前記分岐後の各シングルモード導波路に接続した前記各マルチモード導波路の中心軸との距離が、すべて同一の距離となる位置で接続されていることを特徴としている。 (5) In the speckle generating circuit of the present invention, the multi-mode waveguides are connected at positions where the distance between the central axis of each branched single-mode waveguide and the central axis of each multi-mode waveguide connected to each branched single-mode waveguide is the same.
(6)また、本発明のスペックル生成回路において、前記各マルチモード導波路は、前記分岐後の各シングルモード導波路の中心軸および前記分岐後の各シングルモード導波路に接続した前記各マルチモード導波路の中心軸との距離が、すべて異なる距離となる位置で接続されていることを特徴としている。 (6) In the speckle generating circuit of the present invention, the multi-mode waveguides are connected at positions where the distances between the central axis of each branched single-mode waveguide and the central axis of each multi-mode waveguide connected to each branched single-mode waveguide are all different.
(7)また、本発明のスペックル生成回路において、前記光分岐素子は、入力された変調光をTEモード(transverse electric modes)とTMモード(transverse magnetic modes)に分離し、前記分岐後の各シングルモード導波路に異なる信号を出力することを特徴としている。 (7) In the speckle generating circuit of the present invention, the optical branching element separates the input modulated light into TE mode (transverse electric modes) and TM mode (transverse magnetic modes), and outputs different signals to each of the branched single-mode waveguides.
(8)また、本発明の光ニューラルネットワーク装置は、多数のニューロン数を生成する光ニューラルネットワーク装置であって、(1)から(7)のいずれかに記載のスペックル生成回路と、前記スペックル生成回路で生成されたスペックルを電気信号に光電変換する複数の受光素子と、を備えることを特徴としている。 (8) The optical neural network device of the present invention is an optical neural network device that generates a large number of neurons, and is characterized in that it includes a speckle generating circuit described in any one of (1) to (7) and a plurality of light receiving elements that photoelectrically convert the speckles generated by the speckle generating circuit into an electrical signal.
(9)また、本発明の光ニューラルネットワーク装置において、前記複数の受光素子は、それぞれ接続された前記マルチモード導波路から出力されるモード数に応じた数で構成されていることを特徴としている。 (9) In the optical neural network device of the present invention, the number of the light receiving elements corresponds to the number of modes output from the multimode waveguide to which each of the light receiving elements is connected.
本発明によれば、光ニューラルネットワーク装置において、ニューロン数を増加させることにより、人工知能の推論性能を向上させることが可能となる。 According to the present invention, by increasing the number of neurons in an optical neural network device, it is possible to improve the inference performance of artificial intelligence.
本発明者らは、マルチモード導波路の空間モードの励振数の限界によりニューロン数を増やせないことに着目し、マルチモード光信号に分配する際に、データ信号を光分岐回路で分岐し、分岐した光信号をディメンションの異なる複数のマルチモード導波路で高次モードに変換することによって、異なるスペックルを生成し、ニューロン数を増やせることを見出し、本発明をするに至った。 The inventors focused on the fact that the number of neurons cannot be increased due to the limit on the number of excitations of spatial modes in a multimode waveguide, and discovered that when distributing to a multimode optical signal, it is possible to generate different speckles and increase the number of neurons by branching the data signal using an optical branching circuit and converting the branched optical signals to higher modes using multiple multimode waveguides with different dimensions, which led to the invention.
すなわち、本発明は、光ニューラルネットワーク装置に用いられるスペックル生成回路であって、光源から光信号を受信し、位相変調を行う位相変調器と、前記位相変調された変調光を受信し、伝搬させる単一のシングルモード導波路と、前記シングルモード導波路に接続され、前記伝搬された変調光を複数に分岐させる光分岐素子と、前記分岐された各変調光を伝搬する複数のシングルモード導波路と、前記分岐後の各シングルモード導波路にそれぞれ接続され、前記伝搬された変調光からスペックルを生成する複数のマルチモード導波路と、を備えることを特徴とする。 That is, the present invention is a speckle generation circuit for use in an optical neural network device, characterized in that it comprises: a phase modulator that receives an optical signal from a light source and performs phase modulation; a single single-mode waveguide that receives and propagates the phase-modulated modulated light; an optical branching element that is connected to the single-mode waveguide and branches the propagated modulated light into multiple light beams; multiple single-mode waveguides that propagate each of the branched modulated lights; and multiple multi-mode waveguides that are respectively connected to each of the branched single-mode waveguides and generate speckles from the propagated modulated light.
これにより、本発明者らは、光リザバーコンピュータに必要となるニューロン数の生成を大幅に増やすことを可能とした。以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。 This has enabled the inventors to significantly increase the number of neurons required for an optical reservoir computer. Below, an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
図1は、本実施形態に係る光ニューラルネットワーク装置の概略構成を示す図である。本実施形態に係る光ニューラルネットワーク装置1は、単一波長光源111、位相変調器113、光分岐素子117、第1のシングルモード導波路121、第2のシングルモード導波路123、第3のシングルモード導波路223、第1のマルチモード導波路125、第2のマルチモード導波路225、第1の受光素子119、第2の受光素子219、A/D変換器131、重みを付ける電気回路ならびに重みを付けた電気信号を加算する電気回路およびD/A変換器からなるディジタル回路133から構成されている。 Figure 1 is a diagram showing a schematic configuration of an optical neural network device according to this embodiment. The optical neural network device 1 according to this embodiment is composed of a single-wavelength light source 111, a phase modulator 113, an optical branching element 117, a first single-mode waveguide 121, a second single-mode waveguide 123, a third single-mode waveguide 223, a first multimode waveguide 125, a second multimode waveguide 225, a first light-receiving element 119, a second light-receiving element 219, an A/D converter 131, and a digital circuit 133 consisting of a weighting electrical circuit, an electrical circuit for adding weighted electrical signals, and a D/A converter.
本実施形態では、光分岐素子117、第1のシングルモード導波路121、第2のシングルモード導波路123、第3のシングルモード導波路223、第1のマルチモード導波路125および第2のマルチモード導波路225は、1つのシリコン基板(チップ)310上に形成されているが、これに限定されない。例えば、分岐素子により複数に分岐された後の回路は、分岐された回路ごとにシリコン基板(チップ)上に形成されていてもよい。 In this embodiment, the optical branching element 117, the first single-mode waveguide 121, the second single-mode waveguide 123, the third single-mode waveguide 223, the first multimode waveguide 125, and the second multimode waveguide 225 are formed on one silicon substrate (chip) 310, but this is not limited to this. For example, the circuits branched into multiple circuits by the branching element may be formed on the silicon substrate (chip) for each branched circuit.
単一波長光源111からレーザー光が出力され、時間依存信号であるデータu(n)を位相変調器113に印加して、単一波長光源111からの出力光を位相変調する。本実施形態では、位相変調器113は、ニオブ酸リチウム位相変調器を用いる。 Laser light is output from the single-wavelength light source 111, and data u(n), which is a time-dependent signal, is applied to the phase modulator 113 to phase-modulate the output light from the single-wavelength light source 111. In this embodiment, the phase modulator 113 uses a lithium niobate phase modulator.
第1のシングルモード導波路121は、位相変調器113に接続され、位相変調器113からの変調光を伝搬する。そして、第1のシングルモード導波路121は、多モード干渉導波路の光分岐素子117において、第2のシングルモード導波路123および第3のシングルモード導波路223に2分岐される。本実施形態の分岐素子は、一例として、2分岐の素子を用いたが、4分岐、8分岐、あるいはそれ以上の分岐数の素子を用いてもよい。また、第2のシングルモード導波路123および第3のシングルモード導波路223への入力偏波をTEモード(transverse electric modes)とし、光分岐素子117に多モード干渉導波路の分岐素子を適用する。 The first single mode waveguide 121 is connected to the phase modulator 113 and propagates modulated light from the phase modulator 113. The first single mode waveguide 121 is then branched into two, the second single mode waveguide 123 and the third single mode waveguide 223, in the optical branching element 117 of the multimode interference waveguide. As an example, the branching element of this embodiment uses an element with two branches, but an element with four branches, eight branches, or more branches may also be used. In addition, the input polarization to the second single mode waveguide 123 and the third single mode waveguide 223 is set to TE mode (transverse electric modes), and a branching element of the multimode interference waveguide is applied to the optical branching element 117.
光分岐素子117で分岐された第2のシングルモード導波路123および第3のシングルモード導波路223は、それぞれ第1のマルチモード導波路125および第2のマルチモード導波路225に接続されている。 The second single-mode waveguide 123 and the third single-mode waveguide 223 branched by the optical branching element 117 are connected to the first multi-mode waveguide 125 and the second multi-mode waveguide 225, respectively.
図2は、図1のs-sにおける断面図であり、第2のシングルモード導波路および第3のシングルモード導波路の断面を示す図である。図3は、図1のm-mにおける断面図であり、第1のマルチモード導波路および第2のマルチモード導波路の断面を示す図である。図4は、マルチモード導波路の長さ(導波路の中心の長さ)に該当する箇所を示す図である。 Figure 2 is a cross-sectional view taken along line s-s in Figure 1, showing the cross sections of the second single-mode waveguide and the third single-mode waveguide. Figure 3 is a cross-sectional view taken along line m-m in Figure 1, showing the cross sections of the first multimode waveguide and the second multimode waveguide. Figure 4 is a diagram showing the location corresponding to the length of the multimode waveguide (the length of the center of the waveguide).
第1のシングルモード導波路121、第2のシングルモード導波路123、第3のシングルモード導波路223、第1のマルチモード導波路125および第2のマルチモード導波路225は、シリコン基板(チップ)310上に形成され、各導波路121、123、125、223、225のコアはシリコンで形成され、各導波路121、123、125、223、225のクラッドは二酸化ケイ素で形成されており、厚さは、0.22μmである。また、第1のシングルモード導波路121、第2のシングルモード導波路123および第3のシングルモード導波路223の幅は0.5μmである。第1のマルチモード導波路125および第2のマルチモード導波路225のサイズは、幅がそれぞれ23.9μm、18.8μmであり、総長39mmである。そして第1のマルチモード導波路125および第2のマルチモード導波路225は、それぞれスパイラル形状で中央はS字曲線の曲線領域を有しているが、これに限定されない。また、スパイラル形状の旋回数についても、1回でもよいし、それ以上でもよい。直線でなければよい。 The first single mode waveguide 121, the second single mode waveguide 123, the third single mode waveguide 223, the first multimode waveguide 125 and the second multimode waveguide 225 are formed on a silicon substrate (chip) 310, the cores of the waveguides 121, 123, 125, 223 and 225 are made of silicon, and the clads of the waveguides 121, 123, 125, 223 and 225 are made of silicon dioxide and have a thickness of 0.22 μm. The widths of the first single mode waveguide 121, the second single mode waveguide 123 and the third single mode waveguide 223 are 0.5 μm. The first multimode waveguide 125 and the second multimode waveguide 225 have a width of 23.9 μm and 18.8 μm, respectively, and a total length of 39 mm. The first multimode waveguide 125 and the second multimode waveguide 225 each have a spiral shape with an S-shaped curved region in the center, but are not limited to this. The number of turns of the spiral shape may be one or more. It is sufficient that it is not a straight line.
ここで、マルチモード導波路から生成されるスペックルについて説明する。図5は、シミュレーションで使用したマルチモード導波路の概略構成を示す図である。図5(b)は、図5(a)のa-aにおける断面図である。サイズが異なるマルチモード導波路を用いることで、異なるスペックルが生成させることをシミュレーションする。シミュレーションでは、以下3つのサイズのマルチモード導波路を用いた。いずれも、R=25μmの曲線領域を有する。
(1)幅25μm、厚さ0.25μm、長さ230μm
(2)幅25μm、厚さ0.22μm、長さ230μm
(3)幅25μm、厚さ0.22μm、長さ280μm
Here, the speckles generated from a multimode waveguide will be described. FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of a multimode waveguide used in the simulation. FIG. 5(b) is a cross-sectional view taken along a-a in FIG. 5(a). A simulation is performed to show that different speckles are generated by using multimode waveguides of different sizes. In the simulation, multimode waveguides of the following three sizes were used. All of them have a curved region with R=25 μm.
(1) Width: 25 μm, thickness: 0.25 μm, length: 230 μm
(2) Width: 25 μm, thickness: 0.22 μm, length: 230 μm
(3) Width: 25 μm, thickness: 0.22 μm, length: 280 μm
図6(a)~(c)は、(1)~(3)のマルチモード導波路から出力される光強度を示す図である。図6において、縦軸は光強度[a.u.]を示し、横軸y[μm]は導波路の中心軸を原点とした時の導波路横(幅)方向の位置を示す。図6(a)~(c)に示すように、マルチモード導波路のサイズを変えることで、マルチモード導波路から出力される光強度が異なる。つまり、マルチモード導波路の出力端部では、異なるスペックルが生成されることがわかる。 Figures 6 (a) to (c) are diagrams showing the light intensity output from the multimode waveguides (1) to (3). In Figure 6, the vertical axis indicates the light intensity [a.u.], and the horizontal axis y [μm] indicates the position in the lateral (width) direction of the waveguide when the central axis of the waveguide is the origin. As shown in Figures 6 (a) to (c), the light intensity output from the multimode waveguide differs by changing the size of the multimode waveguide. In other words, it can be seen that different speckles are generated at the output end of the multimode waveguide.
図7は、本実施形態に係るシングルモード導波路およびマルチモード導波路の接続部分の概略構成を示す図である。図7に示すように、第2のシングルモード導波路123および第1のマルチモード導波路125、第3のシングルモード導波路223および第2のマルチモード導波路225は、それぞれの導波路の中心から同じ長さだけずれた距離、つまり、第2のシングルモード導波路123の中心軸ならびに第2のシングルモード導波路123に接続した第1のマルチモード導波路125の中心軸との距離、および第3のシングルモード導波路223の中心軸ならびに第3のシングルモード導波路223に接続した第2のマルチモード導波路225の中心軸との距離が、同一となる位置で接続されている。 Figure 7 is a diagram showing a schematic configuration of the connection portion of the single-mode waveguide and the multi-mode waveguide according to this embodiment. As shown in Figure 7, the second single-mode waveguide 123 and the first multi-mode waveguide 125, the third single-mode waveguide 223 and the second multi-mode waveguide 225 are connected at a position where they are shifted by the same length from the center of each waveguide, that is, the distance between the center axis of the second single-mode waveguide 123 and the center axis of the first multi-mode waveguide 125 connected to the second single-mode waveguide 123, and the distance between the center axis of the third single-mode waveguide 223 and the center axis of the second multi-mode waveguide 225 connected to the third single-mode waveguide 223 are the same.
光分岐素子117で分岐された変調光は、第2のシングルモード導波路123から第1のマルチモード導波路125へ、第3のシングルモード導波路223から第2のマルチモード導波路225へ、それぞれ伝搬する。 The modulated light branched by the optical branching element 117 propagates from the second single-mode waveguide 123 to the first multi-mode waveguide 125, and from the third single-mode waveguide 223 to the second multi-mode waveguide 225.
第1のマルチモード導波路125および第2のマルチモード導波路225へ伝搬された変調光は、高次の空間モードを励振する働きをする曲線領域を有する各マルチモード導波路125、225において、多数の空間モード光に変換され、モード間で伝搬の時間差を与えられることで、導波路端で時間的に変化するスペックル(濃淡像)が生成される。 The modulated light propagated to the first multimode waveguide 125 and the second multimode waveguide 225 is converted into a number of spatial mode lights in each multimode waveguide 125, 225, which has a curved region that serves to excite higher-order spatial modes, and a time difference in propagation between the modes is given, generating a time-varying speckle (shade image) at the end of the waveguide.
幅23.9μmの第1のマルチモード導波路125では65モード励振され、幅18.8μmの第2のマルチモード導波路225では51モード励振される。サイズの異なる(本実施形態では、幅が異なる)マルチモード導波路で生成されたスペックルは異なることから、導波路間でニューロン同士の独立性は保たれる。生成されたスペックルは、複数のフォトダイオードをアレイ状に集積した各受光素子で電気信号に光電変換する。 65 modes are excited in the first multimode waveguide 125 with a width of 23.9 μm, and 51 modes are excited in the second multimode waveguide 225 with a width of 18.8 μm. Since the speckles generated in the multimode waveguides of different sizes (different widths in this embodiment) are different, the independence of neurons between the waveguides is maintained. The generated speckles are photoelectrically converted into electrical signals by each light receiving element, which is an array of multiple photodiodes.
各受光素子119、219は、モード数に応じた素子で形成されている。図1では、簡略化して各受光素子は8つの受光素子を図示しているが、例えば、第1のマルチモード導波路は65モードであるため、第1のマルチモード導波路125に接続している第1の受光素子119は、65個の受光素子からなる。また、第2のマルチモード導波路225は51モードであるため、第2のマルチモード導波路225に接続している受光素子219は、51個の受光素子からなる。 Each light receiving element 119, 219 is formed of elements according to the number of modes. In FIG. 1, for simplicity, each light receiving element is illustrated as eight light receiving elements, but for example, since the first multimode waveguide has 65 modes, the first light receiving element 119 connected to the first multimode waveguide 125 is made up of 65 light receiving elements. Also, since the second multimode waveguide 225 has 51 modes, the light receiving element 219 connected to the second multimode waveguide 225 is made up of 51 light receiving elements.
各受光素子119、219で光電変換された電気信号は、A/D変換器131、231でディジタル信号に変換され、ディジタル回路133へ出力される。ディジタル回路133では、重みを付ける電気回路で各々の重みを乗じる処理を行い、重みを付けた電気信号を加算する電気回路で各々の重みを乗じた値すべてを総和演算する。その後、D/A変換器を通じて推論値が出力される。なお、各々の重みは、学習の段階で目標としたデータy(n)にほぼ一致するように予め設定される。 The electrical signals photoelectrically converted by each light receiving element 119, 219 are converted to digital signals by A/D converters 131, 231 and output to digital circuit 133. In digital circuit 133, a weighting electrical circuit multiplies each signal by its respective weight, and an electrical circuit that adds the weighted electrical signals sums up all the values multiplied by each respective weight. An inference value is then output via a D/A converter. Note that each weight is preset so that it approximately matches the target data y(n) during the learning stage.
本実施形態における光ニューラルネットワーク装置1を用いることにより、116(65+51)のニューロン数を得ることができる。本実施形態では、光分岐素子117で2分岐の素子を用いたが、4分岐、8分岐、あるいはそれ以上の分岐数の素子を用いて分岐出力に各々の導波路幅が異なるマルチモード導波路を接続することで、ニューロン数をさらに増やすことが可能となる。このように、多波長化や時間軸上の分割を使うことなく、大幅なニューロン数を増やすことができる。 By using the optical neural network device 1 in this embodiment, a number of neurons of 116 (65 + 51) can be obtained. In this embodiment, a two-branch element is used for the optical branching element 117, but it is possible to further increase the number of neurons by using an element with four branches, eight branches, or more branches and connecting multimode waveguides with different waveguide widths to the branch outputs. In this way, the number of neurons can be significantly increased without using multiple wavelengths or division on the time axis.
本実施形態では、第1のマルチモード導波路125および第2のマルチモード導波路225の厚さは0.22μm、長さは39mmで同一とし、幅をそれぞれ23.9μm、18.8μmと異なるサイズにする、つまり幅のみが異なる2つのマルチモード導波路を用いることで、異なるスペックルパターンを生成させる構成について説明した。異なるスペックルパターンを生成させる別の構成について、変形例として以下に説明する。 In this embodiment, the first multimode waveguide 125 and the second multimode waveguide 225 are the same, 0.22 μm in thickness and 39 mm in length, but have different widths of 23.9 μm and 18.8 μm, respectively. In other words, the two multimode waveguides differ only in width, and a configuration is described in which different speckle patterns are generated. Another configuration for generating different speckle patterns is described below as a modified example.
(変形例1)
変形例1では、第1のマルチモード導波路125および第2のマルチモード導波路225の長さ、幅は同一とし、厚さが異なるサイズのマルチモード導波路を用いた。つまり、厚さは0.22μm、幅は、例えば23.9μm、18.8μmの何れか1つのサイズを使用し、一方のマルチモード導波路の厚さを0.22μm、他方のマルチモード導波路の厚さを0.25μmとした。このように、マルチモード導波路の幅が同じでも、厚さを異なるサイズにすることで、異なるスペックルパターンを生成させることが可能となり、ニューロン数を大幅に増やすことができる。
(Variation 1)
In the first modification, the first multimode waveguide 125 and the second multimode waveguide 225 have the same length and width, but the multimode waveguides have different thicknesses. That is, the thickness is 0.22 μm, and the width is one of 23.9 μm or 18.8 μm, for example, and the thickness of one multimode waveguide is 0.22 μm and the thickness of the other multimode waveguide is 0.25 μm. In this way, even if the width of the multimode waveguide is the same, by making the thickness different, it is possible to generate different speckle patterns, and the number of neurons can be significantly increased.
(変形例2)
図8は、変形例2におけるマルチモード導波路の長さの概略構成を示す図である。変形例2では、図8に示すように、第1のマルチモード導波路125および第2のマルチモード導波路225の幅、厚さは同一とし、長さが異なるサイズのマルチモード導波路を用いた。つまり、幅は例えば、23.9μm、18.8μmの何れか1つのサイズを使用し、厚さは、例えば0.22μm、0.25μmの何れか1つのサイズを使用し、一方のマルチモード導波路の長さを39mm、他方のマルチモード導波路の長さを35mmとした。このように、マルチモード導波路の幅、厚さが同じでも、長さが異なることで、異なるスペックルパターンを生成させることが可能となり、ニューロン数を大幅に増やすことができる。
(Variation 2)
8 is a diagram showing a schematic configuration of the length of the multimode waveguide in the modified example 2. In the modified example 2, as shown in FIG. 8, the first multimode waveguide 125 and the second multimode waveguide 225 have the same width and thickness, and multimode waveguides of different lengths are used. That is, the width is, for example, 23.9 μm or 18.8 μm, and the thickness is, for example, 0.22 μm or 0.25 μm, and the length of one multimode waveguide is 39 mm and the length of the other multimode waveguide is 35 mm. In this way, even if the width and thickness of the multimode waveguide are the same, different speckle patterns can be generated by changing the length, and the number of neurons can be significantly increased.
(変形例3)
図9は、変形例3におけるシングルモード導波路およびマルチモード導波路の接続部分を示す図である。変形例3では、各マルチモード導波路は、幅、長さ、厚さがいずれも同じサイズの導波路を用いており、図9に示すように、第2のシングルモード導波路123および第1のマルチモード導波路125、第3のシングルモード導波路223および第2のマルチモード導波路225は、それぞれの導波路の中心から異なる長さだけずれた距離、つまり、第2のシングルモード導波路123の中心軸ならびに第2のシングルモード導波路123に接続した第1のマルチモード導波路125の中心軸との距離、および第3のシングルモード導波路223の中心軸ならびに第3のシングルモード導波路223に接続した第2のマルチモード導波路225の中心軸との距離が異なる位置で接続されている。第1のマルチモード導波路125および第2のマルチモード導波路225の幅、長さ、厚さを同じサイズであっても、シングルモード導波路とマルチモード導波路との接続部分での各導波路の中心軸間の距離を変えることで、異なるスペックルパターンを生成させることが可能となり、ニューロン数を大幅に増やすことができる。
(Variation 3)
Fig. 9 is a diagram showing a connection portion of a single-mode waveguide and a multi-mode waveguide in Modification 3. In Modification 3, each multi-mode waveguide uses a waveguide having the same size in width, length, and thickness, and as shown in Fig. 9, the second single-mode waveguide 123 and the first multi-mode waveguide 125, and the third single-mode waveguide 223 and the second multi-mode waveguide 225 are connected at positions shifted by different lengths from the centers of the respective waveguides, that is, the distance between the central axis of the second single-mode waveguide 123 and the central axis of the first multi-mode waveguide 125 connected to the second single-mode waveguide 123, and the distance between the central axis of the third single-mode waveguide 223 and the central axis of the second multi-mode waveguide 225 connected to the third single-mode waveguide 223 are different. Even if the first multimode waveguide 125 and the second multimode waveguide 225 have the same width, length, and thickness, by changing the distance between the central axes of each waveguide at the connection portion between the single-mode waveguide and the multimode waveguide, it is possible to generate different speckle patterns and significantly increase the number of neurons.
(変形例4)
前述した実施形態および変形例では、第2のシングルモード導波路123および第3のシングルモード導波路223への入力偏波をTEモード(transverse electric modes)とし、光分岐素子117に多モード干渉導波路の分岐素子を適用した。変形例4では、各マルチモード導波路は、幅、長さ、厚さがいずれも同じサイズの導波路を用いており、第2のシングルモード導波路123および第3のシングルモード導波路223への入力偏波を、第1のシングルモード導波路121への入力の角度を変えて、光波の電界の振動方向が導波路の横幅方向のTEモード(transverse electric modes)と、光波の電界の振動方向が厚さ方向のTMモード(transverse magnetic modes)の両モード励振するように設定し、分岐素子にTE/TMモードの分離器を適用する。つまり、第2のシングルモード導波路123、第1のマルチモード導波路125、第1の受光素子119をTEモード用、第3のシングルモード導波路223、第2のマルチモード導波路225、第2の受光素子219をTMモード用とすることで、マルチモードの導波路幅、厚さ、長さが同じでも、ニューロン数を2倍にすることが可能となる。
(Variation 4)
In the above-described embodiment and modification, the input polarization to the second single mode waveguide 123 and the third single mode waveguide 223 is set to TE mode (transverse electric modes), and a branching element of a multimode interference waveguide is applied to the optical branching element 117. In modification 4, each multimode waveguide uses a waveguide having the same size in width, length, and thickness, and the input polarization to the second single mode waveguide 123 and the third single mode waveguide 223 is set to excite both TE mode (transverse electric modes) in which the vibration direction of the electric field of the light wave is in the width direction of the waveguide and TM mode (transverse magnetic modes) in which the vibration direction of the electric field of the light wave is in the thickness direction by changing the input angle to the first single mode waveguide 121, and a TE/TM mode separator is applied to the branching element. In other words, by configuring the second single-mode waveguide 123, the first multi-mode waveguide 125, and the first light-receiving element 119 for the TE mode and the third single-mode waveguide 223, the second multi-mode waveguide 225, and the second light-receiving element 219 for the TM mode, it is possible to double the number of neurons even if the multi-mode waveguide width, thickness, and length are the same.
(変形例5)
図10は、変形例5の光ニューラルネットワーク装置2の概略構成を示す図である。図10に示すように、変形例5は、第2のマルチモード導波路225をさらに第3のマルチモード導波路227に接続するマルチモード導波路の多段構成をとっている。このような構造をとることで、モード間でさらにミキシングさせ、出力信号の相関性が減り、実効的にニューロン数を増やすことが可能となる。
(Variation 5)
Fig. 10 is a diagram showing a schematic configuration of an optical neural network device 2 of the modified example 5. As shown in Fig. 10, the modified example 5 has a multi-stage configuration of multi-mode waveguides in which a second multi-mode waveguide 225 is further connected to a third multi-mode waveguide 227. By adopting such a structure, further mixing between modes is performed, the correlation of the output signal is reduced, and it is possible to effectively increase the number of neurons.
本実施形態、変形例1~5で前述したマルチモード導波路の幅、長さ、導波路中心からのずれ、分岐素子へのTE/TMモードの分離器適用は、いずれを組み合わせてもニューロン数は大幅に増やすことができることはいうまでもない。 It goes without saying that the number of neurons can be significantly increased by combining any of the multimode waveguide width, length, offset from the waveguide center, and application of TE/TM mode separators to the branching elements described in this embodiment and variants 1 to 5.
なお、先の例では、マルチモード導波路はシングルモード導波路に接続されていたが、位相変調器から出力光をどの段階でもマルチモード化してさらにマルチモード導波路125、225に結合さえ行われれば、前述した構成でニューロン数を大幅に増やすことができる。 In the previous example, the multimode waveguide was connected to a single-mode waveguide, but if the output light from the phase modulator can be made multimode at any stage and further coupled to the multimode waveguides 125 and 225, the number of neurons can be significantly increased with the above-mentioned configuration.
さらに、マルチモード導波路入力受光素子で電気信号に変換した後にA/D変換器でディジタル信号に変換し、ディジタル回路で各々の重みを乗じた後にそれら全てを総和演算し、D/A変換器でアナログ信号に戻し出力(推論値)を得ていたが、受光素子からの電気出力を直接積算する回路を適用すれば出力が得られる。 Furthermore, the multimode waveguide input photodetector converts the signal into an electrical signal, then converts it into a digital signal using an A/D converter, multiplies each signal by a weight in a digital circuit, and then sums them all together, converts them back into an analog signal using a D/A converter to obtain the output (inferred value). However, the output can be obtained by applying a circuit that directly integrates the electrical output from the photodetector.
以上説明したように、本実施形態によれば、光ニューラルネットワーク装置において、ニューロン数を増加させることにより、人工知能の推論性能の向上することが可能となる。 As described above, according to this embodiment, by increasing the number of neurons in an optical neural network device, it is possible to improve the inference performance of artificial intelligence.
1、2 光ニューラルネットワーク装置
111 単一波長光源
113 位相変調器
117 光分岐素子
119 第1の受光素子
121 第1のシングルモード導波路
123 第2のシングルモード導波路
125 第1のマルチモード導波路
131、231 A/D変換器
133 ディジタル回路
219 第2の受光素子
223 第3のシングルモード導波路
225 第2のマルチモード導波路
227 第3のマルチモード導波路
310 シリコン基板(チップ)
1, 2 Optical neural network device 111 Single wavelength light source 113 Phase modulator 117 Optical branching element 119 First light receiving element 121 First single mode waveguide 123 Second single mode waveguide 125 First multimode waveguide 131, 231 A/D converter 133 Digital circuit 219 Second light receiving element 223 Third single mode waveguide 225 Second multimode waveguide 227 Third multimode waveguide 310 Silicon substrate (chip)
Claims (9)
光源から光信号を受信し、位相変調を行う位相変調器と、
前記位相変調された変調光を受信し、伝搬させる単一のシングルモード導波路と、
前記シングルモード導波路に接続され、前記伝搬された変調光を複数に分岐させる光分岐素子と、
前記分岐された各変調光を伝搬する複数のシングルモード導波路と、
前記分岐後の各シングルモード導波路にそれぞれ接続され、前記伝搬された変調光からスペックルを生成する複数のマルチモード導波路と、を備えることを特徴とするスペックル生成回路。 A speckle generating circuit for use in an optical neural network device, comprising:
a phase modulator that receives an optical signal from a light source and performs phase modulation;
a single single-mode waveguide for receiving and propagating the phase-modulated light;
an optical branching element connected to the single-mode waveguide for branching the propagated modulated light into a plurality of beams;
a plurality of single mode waveguides for propagating the respective branched modulated lights;
a plurality of multi-mode waveguides each connected to each of the branched single-mode waveguides, for generating speckles from the propagated modulated light.
請求項1から請求項7のいずれかに記載のスペックル生成回路と、
前記スペックル生成回路で生成されたスペックルを電気信号に光電変換する複数の受光素子と、を備えることを特徴とする光ニューラルネットワーク装置。 An optical neural network device for generating a large number of neurons,
A speckle generating circuit according to any one of claims 1 to 7,
and a plurality of light receiving elements that photoelectrically convert the speckles generated by the speckle generating circuit into electrical signals.
9. The optical neural network device according to claim 8, wherein the number of said light receiving elements corresponds to the number of modes output from said multi-mode waveguides connected thereto.
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