(57)【要約】【課題】リザーバ層のノード数を増加させることなく、演算精度を向上することができる光信号処理装置を提供する。【解決手段】入力された一次元信号を光信号に変換して信号処理を行う光信号処理装置であって、前記入力された一次元信号に対して線形処理を行って、光信号に変換する入力部と、前記入力部の出力に接続され、前記光信号に対して線形処理と非線形処理とを行うリザーバ部と、前記リザーバ部の出力に接続され、前記光信号を電気信号に変換して、線形処理を行って一次元出力を出力する出力部と、前記出力部から出力される一次元出力を出力するか、前記入力部に一次元信号として入力するかを判断する判断部とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された一次元信号を光信号に変換して信号処理を行う光信号処理装置であって、
前記入力された一次元信号に対して線形処理を行って、光信号に変換する入力部と、
前記入力部の出力に接続され、前記光信号に対して線形処理と非線形処理とを行うリザーバ部と、
前記リザーバ部の出力に接続され、前記光信号を電気信号に変換して、線形処理を行って一次元出力を出力する出力部と、
前記出力部から出力される一次元出力を出力するか、前記入力部に一次元信号として入力するかを判断する判断部と
を備えたことを特徴とする光信号処理装置。
【請求項２】
前記入力部は、
光源と、
１層目では前記入力された一次元信号を、Ａ（１＜Ａ）層目では前記判断部からの一次元出力を一次元信号として、時間軸方向に引き延ばし、線形処理を行って変調信号を生成する信号処理部と、
前記光源に接続され、前記変調信号により光パルス列を生成する光変調部と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の光信号処理装置。
【請求項３】
前記リザーバ部は、
前記入力部からの前記光パルス列をリング導波路に入力する合流部と、
前記リング導波路を周回する前記光パルス列に線形処理と非線形処理とを行う光演算処理部と、
前記光演算処理部において処理された光パルス列を分岐して、前記出力部と前記合流部とに出力する分岐部と
を含むことを特徴とする請求項２に記載の光信号処理装置。
【請求項４】
前記出力部は、
前記リザーバ部において処理された光パルス列を電気信号に変換する復調部と、
前記電気信号から一次元信号を取り出して線形処理を行い、一次元出力を出力する電気演算処理部と
を含むことを特徴とする請求項３に記載の光信号処理装置。
【請求項５】
入力された一次元信号を光信号に変換して信号処理を行い、多層（Ｃ層）の演算処理を行って、一次元出力を出力する光信号処理装置であって、
１層目では前記入力された一次元信号を、Ａ（１＜Ａ＜＝Ｃ）層目では前記一次元出力を一次元信号として、時間軸方向へＫ（１＜＝Ｋ＜＝ｍ）倍に引き延ばした時系列信号を生成し、所定の重みを積算して、Ｋ個の光パルス列に変換する入力部と、
前記入力部からの前記光パルス列をリング導波路に周回させて重ね合わせ、所定の重みを積算し、非線形関数の演算を行うリザーバ部と、
前記リザーバ部において処理された光パルス列を電気信号に変換し、変換された電気信号から一次元信号をｍ個ずつ取り出して所定の重みを積算し、Ｎ個の一次元出力を生成する出力部と、
前記出力部から出力された回数がＡ未満の時には一次元信号として前記入力部へ再び入力させ、Ａの時には一次元出力として出力させる判断部とを備え、
Ａ（１＜Ａ＜＝Ｃ）層の演算処理を行うことを特徴とする光信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光リザーバコンピューティングに適用することができる光信号処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットを介して様々なセンサーから大量のデータを取得する環境が構築され、取得した大量のデータを解析して高精度な知識処理、未来予測を行う研究およびビジネスが活発に行われている。一般に膨大なデータの解析には時間と消費電力等のコストを要するため、高速性と高効率性等を備える演算機器が求められている。このような情報処理のための演算手法として、小脳の信号処理を真似たリザーバコンピューティング（ＲＣ）という光コンピューティング技術が提案されている。力学系を用いた光演算機器は、高速性と高効率性を同時に兼ね備える可能性を持つと注目を集めている。
【０００３】
従来の光ＲＣの適用例では、カオス近似問題、ＮＡＲＭＡ１０等の一次元入出力問題を解く例が主に報告されてきた（例えば、非特許文献１参照）。さらに、光ＲＣの適用範囲を更に広げるためには、演算精度を高める必要がある。一般にＲＣでは、リザーバ層のノード数を増やすことによって演算精度が高くなることが知られている。しかしながら、光ＲＣの場合、リザーバ層のノードは、ファイバリングを周回する光パルスの数によって表現されるため、ノード数を増加させて演算精度を向上するには、より長いファイバリングを持つ装置を必要としていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】L. Larger， et al.， “Photonic information processing beyond Turing: an optoelectronic implementation of reservoir computing，” Optics Express Vol. 20， Issue 3， pp. 3241-3249 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ファイバリングを長延化した場合には、３つの問題点があった。第１に、装置の作製コストの増加である。ファイバの価格は長さに応じて決まるため、ファイバリングが長延化するほど、ファイバにかかるコストは高くなる。第２に、装置のサイズの大規模化である。ファイバは損失の観点から鋭角に曲げることができないため、ファイバリングが長延化するほど、ファイバを収容する体積は大きくなる。第３に、装置の動作の不安定化である。ファイバ中の光パルス信号は、振動や温度変化等の影響で変化し易いため、ファイバリングが長延化するほど、厳しい環境条件を満たす動作環境を必要とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は、リザーバ層のノード数を増加させることなく、演算精度を向上することができる光信号処理装置を提供することにある。
【０００７】
本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、入力された一次元信号を光信号に変換して信号処理を行う光信号処理装置であって、前記入力された一次元信号に対して線形処理を行って、光信号に変換する入力部と、前記入力部の出力に接続され、前記光信号に対して線形処理と非線形処理とを行うリザーバ部と、前記リザーバ部の出力に接続され、前記光信号を電気信号に変換して、線形処理を行って一次元出力を出力する出力部と、前記出力部から出力される一次元出力を出力するか、前記入力部に一次元信号として入力するかを判断する判断部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、出力部に接続され、出力部からの出力を再び入力信号としてフィードバックさせるか否かを判断させる判断部を備えることにより、光ＲＣで演算された演算結果を再び入力部へ入力する多層構造を取ることになり、１層分のリザーバ層のノード数を増加させることなく、演算精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態にかかる光信号処理装置の全体構成を示す図である。
【図２】本実施形態にかかる光信号処理装置の入力部の構成を示す図である。
【図３】本実施形態にかかる光信号処理装置のリザーバ部の構成を示す図である。
【図４】リザーバ部の具体的な動作例を説明するための図である。
【図５】本実施形態にかかる光信号処理装置の出力部の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１１】
図１に、本発明の一実施形態にかかる光信号処理装置の全体構成を示す。光信号処理装置は、入力された一次元信号に対して線形処理を行って、光信号に変換する入力部１１と、入力部１１の出力に接続され、光信号に対してランダムな線形処理と非線形処理とを行うリザーバ部１２と、リザーバ部１２の出力に接続され、光信号を電気信号に変換して、線形処理を行って一次元出力を出力する出力部１３とを備えている。さらに、出力部１３から出力される一次元出力を出力するか、入力部に一次元信号として入力するかを判断する判断部１４を備えている。
【００１２】
本実施形態の光信号処理装置は、出力部１３からの出力を再び入力信号としてフィードバックさせるか否かを判断させる判断部１４を備えることにより、光ＲＣで演算された演算結果を再びリザーバ部１２へ入力する多層構造を取ることになり、実効的にノード数を増加させて演算精度を向上させることができる。言い換えると、リザーバ部１２のノード数が同じ装置構成を用いて、各々のリザーバ部に持たせるノード数を増やすことなく、演算精度を向上させることができる。
【００１３】
［入力部］
図２に、本実施形態にかかる光信号処理装置の入力部の構成を示す。入力部１１は、解く問題の一次元信号が入力され、所定の光信号（光パルス列）に変換してリザーバ部１２へ伝搬させる機能を有する。信号処理部１１１に入力される一次元入力信号は、光ＲＣの層数によって異なる。通常のＲＣの構成である入力層、リザーバ層、出力層を一巡することを１層と数える。Ｃ層のディープ光ＲＣを仮定すると、入力部１１には、１層目では、光ＲＣで解く問題の一次元信号が入力される。Ａ（１＜Ａ＜＝Ｃ）層目では、最初にディープ光ＲＣに一次元信号を入力してからＡ−１層目に判断部１４から伝搬された一次元時系列信号が入力される。
【００１４】
通常のＲＣにおいて、入力信号がｌ個の入力チャネルからｍ個のリザーバ層のノードに分配される場合を考える。ここで、入力チャネルとは、１個のデータのサンプリング数（音声データ等）やピクセル数（画像データ等）に相当する（図２では、ｌ個のパルスが並んでいるパルス列として表現されている）。信号処理部１１１は、一次元入力信号をパルス毎に、時間軸方向へＫ倍に引き延ばした時系列信号を生成する。例えば、１つの入力チャネルのパルス幅が１秒の場合、パルス幅Ｋ秒のパルスを生成する。添え字Ｋは１＜＝Ｋ＜＝ｍであり、通常のＲＣのｍ個のノードのうちＫ個のノードを選択して、一次元入力信号を入力させるためである。
【００１５】
次に、引き延ばした時系列信号に対してランダムに決められた入力部の重みｗinlmを積算する。添え字ｌは、入力チャネルに相当する１層目の一次元信号の種類であり、２層目以降はＮである。これによりＫ秒に引き延ばされたパルスは、１秒毎に強度が異なる変調信号となる。光変調部１１２は、光源１１３からの光信号を、ｗinlm・ｕmの情報を有する変調信号により変調する。
【００１６】
このようにして、入力部１１は、タイムステップｕmごとに入力信号の大きさ（強度）に相当する光強度を有するＫ個のパルスが、一次元信号のｌ種類の数だけ連なったパルス列をリザーバ部１２に出力する。
【００１７】
光源１１３は、インコヒーレント光源またはコヒーレント光源を用いることができる。前者を使用する場合、強度情報のみを使用するため比較的安定に動作させることができる。後者を使用する場合、強度情報と位相情報の両方使用するため情報量を２倍にすることができる。
【００１８】
光変調部１１２は、ＬＮ変調器などの光減衰器、半導体光増幅器などの光増幅器を用いることができる。前者を使用する場合、高速に変調することができるため、演算時間を短くすることができる。後者を使用する場合、信号を増幅することができるため、損失による演算能力の低下を抑えることができる。
【００１９】
入力部の重みｗinは、光ＲＣの訓練を始める前に与えられ、訓練や判定を通して値が更新されることはない。重みｗin（重みｗin＝＞０）の各要素の値は、全て異なる値にしても良いし、同じｍの時は同じ値となるようにしてもよい。１層目と２層目で重みの数が異なるが、それぞれが異なる重みをもってもよいし、一部が同じ重みであってもよい。
【００２０】
（具体的な動作例）
一次元信号は、一次元の時系列のデータであり、例えば、ある企業の株価の推移、ある気象観測所での気温の推移等である。ここで、特定の気象観測所における気温予測に活用する場合について説明する。
【００２１】
所定期間の気温の時系列的なデータを、一定期間に分割し、分割された期間ごとにデータを作成する。例えば、所定期間を９分割し（ｌ＝９）、分割された期間中の平均気温を算出して一次元入力信号とする。信号処理部１１１は、リザーバ部１２においてｍ回の処理を行うために、Ｋ倍に引き延ばした時系列信号を生成し、入力部の重みｗinを積算して変調信号を生成する。重みｗinは、Ｋ個の間でランダムな値になればよい。
【００２２】
光変調部１１２は、光源１１３からの光信号を変調信号で変調して、１つの入力信号から光強度の異なるＫ個の光パルスを出力し、分割した一次元信号の全てを合わせて、９×Ｋ個の光パルス列を出力する。
【００２３】
［リザーバ部］
図３に、本実施形態にかかる光信号処理装置のリザーバ部の構成を示す。リザーバ部１２は、光パルス列が周回するリング導波路１２４上に合流部１２１、光演算処理部１２２、および分岐部１２３が挿入されている。合流部１２１からリング導波路１２４を介して再び合流部１２１へ戻ることを１周と数える。最初のパルス列がリング導波路１２４へ入力されてから、ｔ周目において入力部１１から伝搬された一次元入力信号と、ｔ−１周目にリング導波路１２４を周回して合流部１２１に戻ってきた一次元入力信号とが合流部１２１で結合される。光演算処理部１２２は、結合された一次元入力信号を演算処理し、分岐部１２３は、処理された一次元入力信号（光パルス列）を分岐して、出力部１３と合流部１２１とに出力する。
【００２４】
リザーバ部１２における力学系を式（１）に示す。
【００２５】
【数１】
2020030317.tif 000003
【００２６】
ここで、ｕmは入力部１１のタイムステップであり入力層のノードに相当し、ｗinlmは入力部の重み、ｘk（ｔ−１）は導波路１２４をｔ−１周回したときのリザーバ層のノードに相当し、ｗrlkはリザーバ部の重みを表し、ｘlはｍ個のリザーバ層のノードに相当する。式（１）のｃｏｓ二乗関数へ入力される成分の内、第一項は入力部１１から結合された信号、第二項はリザーバ部１２から結合された信号を指す。リザーバ部の重みｗrは入力部の重みと同様、ランダムに決められた固定値である。光演算処理部１２２は、リザーバ部の重みｗrを積算する線形処理と、非線形関数の演算（ｃｏｓ二乗関数）を行う非線形処理とを行う。リザーバ部の重みｗrは、入力部と同様、ランダムに決められた固定値である。
【００２７】
光演算処理部１２２は、線形処理を行う方法として、ＬＮ変調器と遅延回路を用いる方法と、一度電気信号に復調し、ＰＣやＦＰＧＡ等で電気演算処理した後、光信号に戻す方法とがある。前者を使用する場合、光のスピードで演算を行うため、処理速度が速くなる。後者を使用する場合、電気に変換した際に信号補償を行うことができるため、演算精度を担保することができる。
【００２８】
光演算処理部１２２は、非線形処理を行うために、マッハツェンダー干渉計、半導体光増幅器等を用いることができる。前者を使用する場合、マッハツェンダー干渉計を通過するだけで制御信号を用いずに非線形処理するため、消費電力が少なくなる。後者を使用する場合、半導体光増幅器へ注入する電流値を変化させることによって非線形関数の形をｃｏｓ二乗関数から変えて、解く問題に対して適切な非線形関数へ調整することができる。
【００２９】
合流部１２３は、平面光導波路（ＰＬＣ）、融着延伸型ファイバーカプラ等を用いることができる。前者を使用する場合、接続損失が小さくなり、ロスの少ない装置を構築することができる。後者を使用する場合、市販品を組合せることにより、装置を容易に構築することができる。
【００３０】
（具体的な動作例）
図４を参照してリザーバ部の具体的な動作例を説明する。リザーバ部１２のリング導波路１２４は、Ｋ個のパルスが等間隔で一周する長さに設定する。入力部１１から、１種類目のＫ個のパルス列から順に入力されると、順次リング導波路１２４を周回し、９種類目のＫ個のパルスが入力されると、図４に示すように、９種類のパルスが全て重ねあわされる。光演算処理部１２２では、パルスの周回ごとに、リザーバ部の重みｗrを積算する線形処理と、ｃｏｓ二乗関数を通過させる非線形処理とを行い、適当な固定値となるパルスの光強度の調整が行われる。分岐部１２３からは、９個ずつ重ね合わされたＫ個のパルスが、出力部１３に出力される。
【００３１】
なお、リング導波路１２４は、拡張性を考えてＫ個以上のパルスが同時に周回できるように、長さを延ばしてもよい。このとき、入力部１１から出力されるパルス列は、Ｋ個のパルスごとに、延長した長さに相当する時間分のアイドル期間を挿入しておく。このようにして、９分割された気温のデータが、リザーバ層のｍ個のノードによって処理されたことになる。
【００３２】
［出力部］
図５に、本実施形態にかかる光信号処理装置の出力部の構成を示す。出力部１３は、リザーバ部１２より出射された光パルス列を処理して、一次元出力を生成する。出力部１３は、リザーバ部１２より出射された光パルス列を電気信号に変換する復調部１３１と、変換された電気信号から、一次元信号をｍ個ずつ取り出してｍ入力Ｎ出力の線形処理を行う電気演算処理部１３２とを備える。
【００３３】
出力部１３における力学系を式（２）に示す。
【００３４】
【数２】
2020030317.tif 000004
【００３５】
ここで、ｙjは出力層のノードに相当し、ｗojkは出力部の重みである。電気演算処理部１３２は、復調部から出力された一次元信号ｘk（ｔ）をｍ個ずつ取り出して、式（２）に示す線形結合を演算する。分類したいカテゴリの数Ｎだけ演算を繰り返し、ｍ個の信号からＮ個の一次元出力を生成する。出力部の重みｗoは、リザーバ部のノードｘk（ｔ）と解きたい問題の望ましい結果とを用いて、擬似逆行列法で計算される値である。この値は層毎に異なる。
【００３６】
復調部１３１は、受光器を用いる。電気演算処理部１３２は、ＰＣ、ＦＰＧＡ等を用いることができる。前者を使用する場合、比較的容易に力学系を実装することができる。後者を使用する場合、専用マシンを作製できるため、演算速度を速くすることができる。
【００３７】
（具体的な動作例）
リザーバ部１２では、９分割された気温のデータが、リザーバ層のｍ個のノードによって処理されたことになる。出力部１３では、リザーバ層で処理されたＫ個のデータから、予測される気温の推移に関して、Ｎ個の候補値が得られることになる。
【００３８】
［判断部］
判断部１４は、出力部１３から出力された一次元信号を、演算結果として読み出すか、または入力信号として再び入力部１１へ伝搬させるかを判断する。例えば、入力部１１に入力された一次元信号の長さＬinput秒のデータを、Ａ層のＲＣで解く場合、最初に判断部１４に信号が伝搬されてからＬinput×（Ａ−１）秒までのデータは入力部１１へ伝搬させ、Ｌinput×（Ａ−１）秒以降のデータは演算結果として読み出す。
【００３９】
判断部１４は、スイッチを用いることができる。スイッチの動作タイミングは、入力部１１の変調信号を生成する装置と同期させている。
【００４０】
（具体的な動作例）
上述したように、入力部１１には、１層目では、光ＲＣで解く問題の一次元信号が入力され、Ａ（１＜Ａ＜＝Ｃ）層目では、最初にディープ光ＲＣに一次元信号を入力してからＡ−１周目に判断部１４から伝搬された一次元時系列信号が入力される。すなわち、判断部１４は、出力部１３から出力された回数がＡ未満の時には、一次元信号として入力部１１へ再び入力させ、Ａの時には一次元出力として出力させる。このようにして、Ｃ層のディープ光ＲＣが実行され、気温予測において、最も確からしい気温の候補値が得られる。
【００４１】
本実施形態の光信号処理装置によれば、ノード数を増やす代わりに、光ＲＣで演算された演算結果を、再び光ＲＣへ入力する多層構造を取ることによって、ノード数が同じ装置構成を用いて演算精度を向上させることができる。従来の光ＲＣにおいて、リザーバ層のノード数を増加させて演算精度を向上させていたのに対して、本実施形態では、同じノード数で演算精度を向上させることができ、リザーバ層のファイバリングを長延化する必要が無く、装置の作製コストが抑えられ、装置の小型化が図られる。また、本実施形態では、短いファイバリングで演算できるため、装置の動作を安定化させることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１１  入力部
１２  リザーバ部
１３  出力部
１４  判断部
１１１  信号処理部
１１２  光変調部
１１３  光源
１２１  合流部
１２２  光演算処理部
１２３  分岐部
１２４  リング導波路
１３１  復調部
１３２  電気演算処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2020030317.tif 000008
【図５】
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