CHƯƠNG 3. NHẬN DẠNG NHÃN BPSK, QPSK TRONG HỆ THỐNG THÔNG
3.4 Mạng nơ-ron toàn quang nhận dạng nhãn BPSK
3.4.1 Thiết kế cấu trúc mạng nơ-ron quang tử tích hợp sử dụng MMIs
Bộ xử lý quang đồng bộ và nơ-ron quang có mối liên hệ chặt chẽ trong việc xây dựng các hệ thống xử lý thông tin bằng ánh sáng. Bộ xử lý quang đồng bộ cần thiết để đảm bảo các nơ-ron quang hoạt động một cách đồng bộ, giúp giảm thiểu độ trễ và cải thiện hiệu suất của toàn bộ hệ thống. Nhờ các đặc điểm này, bộ xử lý quang đồng bộ và nơ-ron quang có thể tạo ra một hệ thống xử lý thông tin mạnh mẽ, hiệu quả hơn so với các phương pháp truyền thống.
Đƣợc hiển thị trong Hình 3.14, cấu trúc chứa bộ ghép 1xN MMI tại cổng vào và Nx1 MMI tại cổng ra. Một nhánh đƣợc sử dụng cho tín hiệu tham chiếu. Các bộ điều chỉnh pha dựa trên hiệu ứng nhiệt quang để điều chỉnh chậm các yếu tố trọng số và dựa trên hiệu ứng plasma đƣợc sử dụng để điều chỉnh nhanh cho dữ liệu đầu vào. Cấu hình đẩy-đỡ (push-pull) đƣợc sử dụng tại các bộ điều chỉnh pha. Cấu trúc Modulator Mach-Zehnder (MZM) đƣợc sử dụng tại các nhánh cho điều chế biên độ. Trong hình này, Luận án thể hiện cấu trúc với N=3.
108
Hình 3.14 Sơ đồ bộ xử lý ma trận nhân quang quá trình dựa trên cấu trúc MMI
Nơ-ron nhiều lớp (MLP) là nơ-ron bao gồm ít nhất ba lớp [170, 171].
Một lớp đầu vào, một lớp đầu ra và một hoặc nhiều lớp ẩn (Hidden Layers).
Các lớp này đƣợc cấu tạo bởi tế bào nơ-ron nhân tạo nói một cách đơn giản hơn là tế bào nơ-ron. Hình 3.15 đƣợc gọi là mạng nơ-ron đƣợc kết nối đầy đủ vì tất cả các nơ-ron của một lớp đƣợc kết nối với tất cả các nơ-ron của lớp tiếp theo. Mỗi tế bào nơ-ron của một lớp, ngoại trừ các tế bào nơ-ron của lớp đầu vào, đƣợc xác định bởi trọng lƣợng và chức năng kích hoạt của nó.
Hình 3.15 Mạng nơ-ron nhiều lớp kết nối đầy đủ Lớp đầu vào
Lớp ẩn
Lớp đầu ra
Dữ liệu đầu ra Bộ điều chỉnh pha 1 Bộ điều chỉnh pha 2
Laser vào
109
Tương tự như trong nơ-ron đơn, lan truyền thuận của MLP tương ứng với việc biến đổi vectơ đầu vào X thành vectơ đầu ra Y bằng một chuỗi phép nhân ma trận và hàm kích hoạt liên tiếp. Nếu thuật toán đƣợc áp dụng cho một phân loại vấn đề, vectơ đầu ra đại diện cho xác suất của mỗi lớp là đúng.
Đây là hai bước xảy ra trong nơ-ron thứ j của lớp thứ i trong quá trình truyền thuận (forward propagation):
- Bước 1: tổng trọng số đầu ra của lớp trước hoặc
- Bước 2: là áp dụng hàm kích hoạt , trong đó là thành phần j của đầu vào X, là trọng số cho nơ-ron j của lớp (j-1) và
là nơ-ron này. Quá trình hoạt động nhƣ vậy đƣợc biểu diễn bằng một ma trận, trong đó trọng số có thể đƣợc biểu diễn bằng ma trận M N, trong đó M là kích cỡ của lớp i và N là kích cỡ của lớp j.
Để giữ nguyên dấu của các giá trị kích hoạt và trọng số, điều chế biên độ quang đƣợc áp dụng và biên độ đầu ra đƣợc phát hiện thông qua sự can thiệp nhất quán. Ánh sáng từ nguồn laser nhất quán đƣợc chia thành N nhánh, với N-1 nhánh thực hiện tích chập và nhánh cuối cùng là tham chiếu địa phương cho phát hiện nhất quán. Công suất quang được phân phối đều trong các nhánh N này. Trong mỗi nhánh, hai bộ điều chế theo cấu hình đẩy-đỡ đƣợc triển khai nối tiếp để áp dụng điều chế biên độ quang mà không làm dịch chuyển pha. Khi tất cả các nhánh đồng pha, các tín hiệu quang tương tác tích cực trong bộ kết hợp quang, thực hiện phép cộng. Quá trình của cấu trúc đề xuất có thể được mô tả bằng phương trình sau.:
{( ∑
+ ( ∑
+ } | ∑
|
Ở đây, là phần thực và * biểu thị cho phần liên hợp; , là các trọng số đƣa vào bộ di pha ở Hình 3.14 và là biên độ phức tín hiệu. Trong kiến
110
trúc này, số thực âm cũng có thể đƣợc thực hiện dễ dàng. Để mở rộng hoạt động của ma trận ra toàn bộ miền số thực, kết quả cần thu đƣợc thông qua quá trình xử lý chênh lệch bằng cách sử dụng bộ thu cân bằng. Theo cách này, ma trận truyền và vector đầu ra đều có thể chứa miền âm. Cường độ đầu ra tại hai cổng ra trong phát hiện cân bằng (balanced photodectector) có thể đƣợc biểu thị bởi:
∑
Đối với việc điều chỉnh chậm sử dụng bộ điều chỉnh pha nhiệt quang, đƣợc sử dụng cho bộ lọc. Bộ di pha dùng hiệu ứng quang nhiệt silic pha lẫn đƣợc sử dụng đƣợc hiển thị trong Hình 3.16.
Hình 3.16 Bộ điều chỉnh pha nhiệt quang cho các bộ lọc quang (a) góc nhìn cắt ngang của bộ điều chỉnh pha với profile nhiệt, (b) profile đa mode của sóng dẫn và (c) dịch chuyển pha tùy thuộc vào công suất áp dụng cho bộ điều
chỉnh pha.
Pha [rad]
Công suất [mW]
(c)
111
Kết quả mô phỏng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) cho bộ di pha dùng hiệu ứng quang nhiệt tiêu thụ công suất 25mW cho một dịch chuyển pha của π radian. Luận án sử dụng cấu trúc này bởi vì các điện trở ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt truyền chéo do hiệu ứng nhiệt-quang cục bộ. Đối với việc điều chỉnh tốc độ, cần phải chuyển đổi dữ liệu từ một đầu ra này sang đầu ra khác đƣợc thực hiện ở mức 2V với sự tăng nhiệt độ lên 21°C từ nhiệt độ ban đầu là 27°C ở 0V. Tổng trở của bộ điều chỉnh pha đƣợc ƣớc tính là 170mW tương ứng với mức tiêu thụ công suất chuyển đổi là 25mW. Công suất cho dịch chuyển pha của π rad đƣợc tính theo kết quả của Hình 3.17. Sự thay đổi dịch chuyển pha trong sóng dẫn đƣợc đƣợc biểu thị bởi:
Ở đây, L1 là chiều dài của bộ điều chỉnh pha 1; neff là chiết suất hiệu dụng của đa mode cơ bản của sóng dẫn Hình 3.17 (b). Trong thiết kế này, ta chọn chiều dài của bộ điều chỉnh pha 1 là 320μm. Đối với việc điều chỉnh nhanh sử dụng hiệu ứng phân tán plasma trong sóng dẫn silic, dữ liệu đầu vào đƣợc sử dụng tại bộ điều chỉnh pha 1 của Hình 3.14.
112
Hình 3.17 Bộ điều chỉnh pha phân tán plasma cho đầu vào dữ liệu (a) góc nhìn cắt ngang của bộ điều chỉnh pha, (b) profile đa mode của sóng dẫn và (c) chiết
suất hiệu dụng tùy thuộc vào công suất áp dụng cho bộ điều chỉnh pha.
Mode tín hiệu của sóng dẫn quang tại 1550nm đƣợc hiển thị trong Hình 3.17 (b), chỉ số khúc xạ hiệu quả là neff = 2.61 khi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).
Ta sử dụng hai đoạn bộ điều chỉnh pha PN junction, sử dụng hiệu ứng phân tán plasma trong sóng dẫn silic. Cấu trúc của sóng dẫn quang silic và bộ điều chỉnh pha PN. Sự thay đổi trong chỉ số khúc xạ đƣợc mô tả bởi mô hình Soref và Bennett [172]. Ở đây ta tập trung vào bước sóng hoạt động trung tâm khoảng 1550nm. Sự thay đổi trong chỉ số khúc xạ đƣợc mô tả bởi:
𝑃
Chiết suất hiệu dụng thay đổi
Điện áp phân cực ngƣợc
(c)
113
Sự thay đổi về độ hấp thụ đƣợc mô tả bởi:
𝑃[ ] Trong đó , là sự thay đổi của chiết suất và suy hao; , 𝑃 là sự thay đổi của nồng độ hạt dẫn electron và lỗ trống.
Hình 3.18 Thiết kế tối ưu của các bộ ghép MMI 1x2 và 1x3
Hình 3.18 (a) thiết kế dùng bộ ghép 1x2 MMI, Hình 3.18 (b) thiết kế dùng bộ ghép bộ 1x3 MMI. Bộ xử lý tích chập quang bao gồm các bộ ghép MMI 1xn. Đối với hạt nhân 2x2 bộ lọc, bộ ghép 1x3 MMI và 1x2 MMI đƣợc sử dụng. Kết quả là, Luận án cần thiết kế tối ƣu các bộ ghép 1x2 và 1x3 MMI.
Sự lan truyền trường thông qua bộ ghép MMI 1x2 và 1x3 là được mô phỏng trong hình 3.18. Kết quả mô phỏng cho thấy cấu trúc 1x2 MMI đƣợc tối ƣu để có thể chia đôi công suất ra 2 cổng ra và cấu trúc 1x3 MMI chia 1/3 công suất tại 3 cổng ra.
Tiếp theo, ta mô phỏng sự truyền dẫn trường qua bộ xử lý tích chập quang cho các dòng dữ liệu đầu vào và hệ số trọng số khác nhau. Với dữ liệu đầu vào [x1 x2]T và các trọng số [w1 w2]T, đầu ra đƣợc tính bằng [y = x1w1 + x2w2].
(a) (b)
114
Hình 3.19 Truyền dẫn trường qua bộ xử lý tích chập quang với các dữ liệu đầu vào và lõi khác nhau
Hình 3.19 hiển thị kết quả mô phỏng tại các công suất áp dụng khác nhau tại các bộ điều chỉnh pha 1 và 2, với dữ liệu vào 00, 01, 10 và 11
Việc sử dụng các bộ ghép MMI 1x3 và 1x2 cho bộ lọc 2x2, cho phép chia tách hoặc kết hợp các tín hiệu quang, tạo điều kiện cho việc kết nối và phân phối tín hiệu cần thiết cho các phép toán tích chập.