特開 2024-118904 リザバーコンピューティング装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024118904

(43)【公開日】2024-09-02

(54)【発明の名称】リザバーコンピューティング装置

(51)【国際特許分類】

   G06N 3/044 20230101AFI20240826BHJP

   G06N 3/067 20060101ALI20240826BHJP

【ＦＩ】

G06N3/044 100

G06N3/067

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023025478

(22)【出願日】2023-02-21

(71)【出願人】

【識別番号】000208891

【氏名又は名称】ＫＤＤＩ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003281

【氏名又は名称】弁理士法人大塚国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】石村 昇太

(72)【発明者】

【氏名】管 貴志

(57)【要約】

【課題】超短光パルス光源を使用することなく光領域でマスキング処理を行う。
【解決手段】リザバーコンピューティング装置は、複数のキャリア光を生成する生成手段と、入力信号と正弦波信号とを合成した合成信号で前記複数のキャリア光を含む光を変調することで変調光を生成する変調手段と、分散性媒質と、分散性媒質の下流側に設けられる、リザバー層を光学的に実現した光学部材と、前記変調手段が前記変調光を前記分散性媒質に入力することで前記光学部材から出力される出力光を処理する処理手段と、を備え、前記処理手段は、前記出力光をコヒーレント受信して電気信号に変換する受信手段と、前記電気信号に含まれる前記正弦波信号に対応するパイロット信号に基づき、前記電気信号に含まれる前記入力信号に対応する出力信号を補償する補償手段と、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のキャリア光を生成する生成手段と、
入力信号と正弦波信号とを合成した合成信号で前記複数のキャリア光を含む光を変調することで変調光を生成する変調手段と、
分散性媒質と、
分散性媒質の下流側に設けられる、リザバー層を光学的に実現した光学部材と、
前記変調手段が前記変調光を前記分散性媒質に入力することで前記光学部材から出力される出力光を処理する処理手段と、
を備え、
前記処理手段は、
前記出力光をコヒーレント受信して電気信号に変換する受信手段と、
前記電気信号に含まれる前記正弦波信号に対応するパイロット信号に基づき、前記電気信号に含まれる前記入力信号に対応する出力信号を補償する補償手段と、
を有する、リザバーコンピューティング装置。

【請求項2】

前記処理手段は、前記出力光を周波数帯域に応じて複数の出力光に分離する周波数分離手段をさらに備え、
前記受信手段及び前記補償手段は、前記複数の出力光それぞれに対して設けられる、請求項１に記載のリザバーコンピューティング装置。

【請求項3】

前記補償手段は、前記電気信号に含まれる前記複数のキャリア光の内の第１キャリア光に対応する前記パイロット信号に基づき、前記電気信号に含まれる前記第１キャリア光に対応する前記出力信号を補償する、請求項１に記載のリザバーコンピューティング装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、リザバーコンピューティング技術に関する。

【背景技術】

【0002】

回帰型ニューラルネットワーク（ＲＮＮ）は、入力層と、リカレント層（リザバー層）と、出力層と、で構成される。一般的に、ＲＮＮの学習においては、入力層、リカレント層及び出力層それぞれの重み（係数）を更新する。リザバーコンピューティングとは、ＲＮＮの一種であるが、学習の際には出力層の重みのみを更新し、入力層及びリカレント層の重みを更新しないＲＮＮである。リザバーコンピューティングにおいて、入力層及びリカレント層の重みは、例えば、ランダムに生成した固定値に設定される。出力層の重みしか更新しない代わりに、リザバーコンピューティングにおいては、リカレント層におけるニューロン数を膨大にする。

【0003】

このリザバーコンピューティングのリカレント層（リザバー層）をハードウェア的に実現したものは、"物理リザバーコンピューティング"と呼ばれる。非特許文献１～非特許文献３は、物理リザバーコンピューティングを開示している。物理リザバーコンピューティングにおいては、リザバー層のランダムな重みを表現するために、入力データに対してマスキング処理を行ってリザバー層に入力する。非特許文献１及び２においては、マスキング処理をデジタル領域で実装している。一方、非特許文献３は、マスキング処理を光領域で実装する構成を開示している。マスキング処理を光領域で実装することで、デジタル領域で実装するよりも高速にマスキング処理を行うことが可能になる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Ａｐｐｅｌｔａｎｔ，Ｌ．，ｅｔ．ａｌ．，Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｂｉｎａｒｙ ｍａｓｋｓ ｆｏｒ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｄｅｌａｙ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｓｃｉ Ｒｅｐ ４，３６２９，２０１４年

【非特許文献2】Ｑｕｅｎｔｉｎ Ｖｉｎｃｋｉｅｒ，ｅｔ．ａｌ．，"Ｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｃｏｈｅｒｅｎｔｌｙ ｄｒｉｖｅｎ ｐａｓｓｉｖｅ ｃａｖｉｔｙ"，Ｏｐｔｉｃａ ２，４３８－４４６，２０１５年

【非特許文献3】Ｎａｋａｊｉｍａ，Ｍ．，ｅｔ．ａｌ．，"Ｓｃａｌａｂｌｅ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｏｎ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｌｉｎｅａｒ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ"Ｃｏｍｍｕｎ Ｐｈｙｓ４，２０，２０２１年

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、非特許文献３では、超短光パルス光源といった、超高速な光源が必要となり、構成が複雑になる。

【0006】

本開示は、超短光パルス光源を使用することなく光領域でマスキング処理を行う技術を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様によると、リザバーコンピューティング装置は、複数のキャリア光を生成する生成手段と、入力信号と正弦波信号とを合成した合成信号で前記複数のキャリア光を含む光を変調することで変調光を生成する変調手段と、分散性媒質と、分散性媒質の下流側に設けられる、リザバー層を光学的に実現した光学部材と、前記変調手段が前記変調光を前記分散性媒質に入力することで前記光学部材から出力される出力光を処理する処理手段と、を備え、前記処理手段は、前記出力光をコヒーレント受信して電気信号に変換する受信手段と、前記電気信号に含まれる前記正弦波信号に対応するパイロット信号に基づき、前記電気信号に含まれる前記入力信号に対応する出力信号を補償する補償手段と、を有する。

【発明の効果】

【0008】

本開示によると、超短光パルス光源を使用することなく光領域でマスキング処理を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】一実施形態による、リザバーコンピューティング装置の構成図。

【図2】一実施形態による、リザバーコンピューティング装置の内部信号の説明図。

【図3】一実施形態による、処理部の構成図。

【図4】一実施形態による、処理部の構成図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明に必須のものとは限らない。実施形態で説明されている複数の特徴のうちの二つ以上の特徴が任意に組み合わされてもよい。また、同一若しくは同様の構成には同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

【0011】

図１は、本実施形態によるリザバーコンピューティング装置の構成図である。多波長光源１は、異なる複数の周波数の連続光（キャリア光）を生成して出力する。図２（Ａ）は、多波長光源１が出力する光の周波数成分を示している。図２（Ａ）において、参照符号９０は、キャリア光である。各キャリア光９０は、多波長光源１に含まれる独立した光源それぞれが個別に生成する構成であって良い。また、複数のキャリア光９０の幾つかについては、１つの光源により位相が同期した状態で生成する構成であっても良い。複数のキャリア光９０の周波数間隔は、例えば、テラヘルツ（ＴＨｚ）のオーダーとされ得る。例えば、複数のキャリア光９０の総てがモード同期条件を満たしていると、複数のキャリア光を含む光の時間波形は、超短パルス状となる。しかしながら、上記の通り、本実施形態においては、モード同期条件を満たす必要はない。多波長光源１が生成した複数のキャリア光９０は、変調器２に入力される。

【0012】

合成部６には、リザバーコンピューティング装置に入力するデータを示す入力信号が入力される。発振器７は、所定周波数の正弦波信号を生成して合成部６に出力する。正弦波信号の周波数は、入力信号の帯域外とする。合成部６は、入力信号と正弦波信号とを合成した合成信号を変調器２に出力する。

【0013】

変調器２は、多波長光源１からの複数のキャリア光９０を、合成信号で一括して変調する。図２（Ｂ）は、変調器２が出力する変調光の周波数成分を示している。参照符号８０は、入力信号に対応する成分（入力信号成分８０）であり、参照符号８１は、正弦波信号に対応する成分（正弦波信号成分８１）である。入力信号成分８０と正弦波信号成分８１のセット８２は、各キャリア光９０について生成される。つまり、変調光は、複数のキャリア光９０それぞれに対応する入力信号成分８０及び正弦波信号成分８１のセット８２を含む。

【0014】

変調器２からの出力光は、分散性媒質３に入力される。分散性媒質３は、変調器２からの変調光に対し、周波数に応じた分散を与える。これにより、変調光の各成分に対して、分散性媒質３が与える分散に応じたマスキングが行われる。本実施形態では、周波数間隔の広い複数のキャリア光９０を使用しているため、高速なマスキングが分散性媒質３で行われる。分散性媒質３の下流側にはリザバー部４が設けられる。リザバー部４は、リザバー層を光学的に実現する光学的回路（光学部材）を含む。一例として、リザバー部４は、遅延ループ構成を有する。リザバー部４において、ニューロン間の結合に対応する処理が行われる。分散性媒質３に入力された変調光は、分散性媒質３及びリザバー部４を通過し、出力光として処理部５に入力される。

【0015】

図３は、処理部５の構成図である。処理部５のコヒーレント受信器５１は、局所光源を有し、リザバー部４からの出力光をコヒーレント受信して電気信号を生成し、生成した電気信号を補償部５２に出力する。電気信号は、図２（Ｂ）の入力信号成分８０に対応する出力信号成分及び正弦波信号成分８１に対応するパイロット信号成分のセットを含む。なお、出力信号成分及びパイロット信号成分のセットは、それぞれ、キャリア光９０に対応する。

【0016】

本実施形態において、複数のキャリア光９０はモード同期していないため、相対的な位相雑音等を有する。このため、分散性媒質３を通過した出力光も位相雑音等に応じて変動する。これは、分散性媒質３におけるマスキング処理の内容が時間の経過と共に変化することに対応する。マスキング処理の内容は時間の経過によらず一定である必要があるため、位相雑音等による影響を補償してマスキング処理の内容を一定にする必要がある。さらに、補償部５２の局所光源も位相雑音等を含む。つまり、出力信号成分は、キャリア光９０の位相雑音等による影響に加えて局所光源の位相雑音等の影響も受けている。このため、補償部５２は、パイロット信号成分に基づき出力信号成分を補償し、出力信号成分に含まれる位相雑音等の影響を補償する。具体的には、補償部５２は、パイロット信号成分の複素共役成分を、対応する出力信号成分、つまり、対応するキャリア光９０が同じである出力信号成分に乗ずる。これにより、出力信号成分に含まれる位相雑音等の影響を補償することができる。補償部５２で補償された各出力信号成分は、マスキング処理の内容が時間の経過と共に変化することも補償されている。

【0017】

なお、例えば、複数のキャリア光９０の内の一部の複数の第１キャリア光がモード同期条件を満たす様に生成されている場合、複数の第１キャリア光の内の１つの第１キャリア光に対応するパイロット信号成分に基づき、複数の第１キャリア光それぞれに対応する出力信号成分を一括して補償する構成とすることができる。

【0018】

補償部５２で補償された各出力信号成分は後処理部５３に入力される。後処理部５３は、リザバーコンピューティング装置のアプリケーションに応じた処理を各出力信号成分に対して行う。

【0019】

なお、処理部５を図４の様に構成することもできる。図４の周波数分離部５４は、リザバー部４からの出力光を周波数帯域に応じて、第１出力光から第３出力光に分離する。なお、分離数は３に限定されず、２以上の任意の値とすることができる。第１出力光から第３出力光は、それぞれ、出力信号成分及びパイロット信号成分のセットを１つ以上含む。周波数分離部５４は、第１出力光を第１パスに出力し、第２出力光を第２パスに出力し、第３出力光を第３パスに出力する。第１パス～第３パスにはそれぞれ、コヒーレント受信器５１及び補償部５２が設けられる。リザバー部４からの出力光を周波数帯域に応じて分離することで、補償部５２が処理すべき帯域幅を狭くすることができる。

【0020】

以上、本実施形態によると、超短光パルス光源を使用することなく光領域でマスキング処理を行うことができる。

【0021】

以上の構成により、超短光パルス光源を使用することなく光領域でマスキング処理を行うことが可能になる。したがって、国連が主導する持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標９「レジリエントなインフラを整備し、持続可能な産業化を推進するとともに、イノベーションの拡大を図る」に貢献することが可能となる。

【符号の説明】

【0022】

１：多波長光源、２：変調器、３：分散性媒質、４：リザバー部、５：処理部、５１：コヒーレント受信器、５２：補償部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】