(57)【要約】【課題】入出力次元数が変化しても装置構成を変更することなく、演算が可能な光信号処理装置を提供する。【解決手段】入力されたＭ（Ｍは２以上の整数）次元入力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Ｍ次元入力信号を一次元入力信号に変換し、該一次元入力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Ｎ次元出力を出力する出力部とを備えた。【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Ｍ（Ｍは２以上の整数）次元入力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Ｍ次元入力信号を一次元入力信号に変換し、該一次元入力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Ｎ次元出力を出力する出力部と
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、
前記入力されたＭ次元入力信号を一次元信号に圧縮し、所定の重みを積算して前記一次元入力信号に変換する変換部と、
前記光源に接続され、前記変換部からの前記一次元入力信号を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し、該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】
前記入力部は、
波長の異なる複数の光源と、
前記入力されたＭ次元入力信号を複数の一次元信号に圧縮し、所定の重みを積算して複数の一次元入力信号に変換する変換部と、
前記変換部からの前記複数の一次元入力信号の１つを、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し、前記複数の光源の１つからの出力を、前記変調信号により変調して光パルス列を生成する複数の光変調部と、
前記複数の光変調部からの変調された複数の光パルス列を合波する合波部と
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４】
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または３に記載の光信号処理装置。
【請求項５】
前記入力部は、前記入力されたＭ次元入力信号を複数の一次元信号に圧縮し、所定の重みを積算して複数の一次元入力信号に変換する変換部、および前記変換部からの前記複数の一次元入力信号の１つを、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し、光源からの光信号を前記変調信号により変調して光パルス列を生成する複数の光変調部を含み、
前記リザーバ部は、前記複数の光変調部からの各々の光パルス列をリング導波路に入力する複数の合流部、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、および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６】
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ｍ個ずつ取り出して線形処理を行い、Ｎ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１ないし５のいずれか１項に記載の光信号処理装置。
【請求項７】
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ｍｘＢ（Ｂは２以上の整数）個ずつ取り出して線形処理を行い、Ｎ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１ないし５のいずれか１項に記載の光信号処理装置。
【請求項８】
入力されたＭ（Ｍは２以上の整数）次元信号を光信号に変換して信号処理を行い、Ｎ次元出力を出力する光信号処理装置であって、
前記入力されたＭ次元入力信号を一次元信号に圧縮し、所定の重みを積算して一次元入力信号に変換し、時間軸方向へＫ倍（１＜＝Ｋ＜＝ｍ）に引き延ばし、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次元出力を生成する出力部と
を備えたことを特徴とする光信号処理装置。
【請求項９】
入力されたＭ（Ｍは２以上の整数）次元信号を光信号に変換して信号処理を行い、Ｎ次元出力を出力する光信号処理装置であって、
前記入力されたＭ次元入力信号を一次元信号に圧縮し、所定の重みを積算して一次元入力信号に変換し、時間軸方向へＫ（１＜＝Ｋ＜＝ｍ）倍に引き延ばし、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ｍｘＢ（Ｂは２以上の整数）個ずつ取り出して所定の重みを積算し、Ｎ次元出力を生成する出力部と
を備えた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、近年のデータ解析の要求に応えるためには、光ＲＣの適用範囲を広げる必要があり、問題の入出力を多次元へ拡張することが求められている。しかしながら、一次元入力問題で取られた方法を単純に展開しようとすると、次元数の増加に伴い、入出力データを変調／復調する変復調器の数も単調に増加する。そのため、入出力次元数の増加に伴って、複雑かつ大規模な演算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】
従来の光ＲＣでは、入出力の多次元化に伴い、変復調器の数も増加するため、演算装置が複雑かつ大規模化することから、装置の作製コストが増大するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は、入出力次元数が変化しても装置構成を変更することなく、演算が可能な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Ｍ（Ｍは２以上の整数）次元入力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Ｍ次元入力信号を一次元入力信号に変換し、該一次元入力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Ｎ次元出力を出力する出力部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように、本発明によれば、入力部において、Ｍ次元入力信号を１次元入力信号に圧縮することにより、入出力次元数が変化しても装置構成を変更することなく、演算が可能となる。
【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】入力部における変換動作を説明するための図である。
【図４】入力部におけるデータ圧縮の具体例を示す図である。
【図５】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６】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７】入力部とリザーバ部の接続形態の第１例を示す図である。
【図８】入力部とリザーバ部の接続形態の第２例を示す図である。
【図９】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。
【図１０】本実施形態にかかる光信号処理装置の出力部の変形例を示す図である。
【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Ｍ（Ｍは２以上の整数）次元入力信号を一次元入力信号へ変換して、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結合演算処理を行うリザーバ部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Ｎ次元出力を出力する出力部１３とを備えている。
【００１２】
本実施形態の光信号処理装置は、入力部において、Ｍ次元のデータを１次元に圧縮することにより、異なる次元数の入出力が要求された場合であっても、同じ装置構成を用いて演算を行うことができる。
【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Ｍ次元入力信号が入力され、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。入力部１１は、入力されたＭ次元入力信号を一次元入力信号に変換する変換部１１１と、一次元入力信号を時間軸方向に引き延ばし、線形処理を行って、光源１１３からの光信号を変調し、光パルス列を生成する光変調部１１２とを含む。
【００１４】
図３を参照して、入力部における変換動作を説明する。変換部１１１に入力されるＭ次元入力信号として、２次元画像信号を例に説明する。図３（ａ）に示すように、２次元画像信号を、縦横３分割し３ｘ３＝９個の画素データとして、１行ずつ読込んで一次元データに変換する。これをシリアルに出力すると、９個の画素データからなるベクトルが生成され、ベクトル長が長くなり、計算時間が増大してしまう。そこで、図３（ｂ）に示すように、行ごとに１つのデータに圧縮して一次元データに変換し、任意の重み付けを行った一次元入力信号を出力する。
【００１５】
図４に、入力部におけるデータ圧縮の具体例を示す。図４（ａ）の例は、２次元画像信号の画素データを、行毎または列毎に１つのテータへ圧縮し、１行ずつまたは１列ずつ読込んで一次元データに変換する。図４（ｂ）は枠取り法であり、任意の画素分外枠を切り取ったデータを、行毎または列毎に読み出して一次元データへ変換する。図４（ｃ）はプーリング法であり、Ｍ次元入力信号を任意の大きさの四角形へ等分割する。分割されたプーリングデータを１つのデータに圧縮し、行毎または列毎に読み出して一次元データへ変換する。図４（ｄ）は畳み込み法であり、任意の大きさの読み込みウィンドウに含まれる画素を１つのデータに圧縮して畳み込みデータを生成し、行毎または列毎に読み出して一次元データへ変換する。
【００１６】
データを圧縮する際の重み付けは、ランダムに決められた重みを積算する方法、平均処理する方法、最大値を抜き出す方法、最小値を抜き出す方法等がある。
【００１７】
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、一次元入力信号が有する要素数を指し、入力信号を画素データとする場合、一次元入力信号に含まれる画素数に当たる数である。光変調部１１２は、一次元入力信号を入力チャネル毎に、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個の入力チャネルが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。
【００１８】
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、２次元画像信号の１行分の画素データに相当する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。
【００１９】
このようにして、入力部１１は、入力チャネル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、２次元画像信号の行または列の数だけ連なったパルス列をリザーバ部１２に出力する。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
［リザーバ部］
図５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周前にリング導波路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】
2020030319.tif 000003
【００２６】
ここで、ｕmは入力部１１の入力チャネル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６を参照して、Ｋ＝ｍの場合における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、ｍ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（＝ｍ）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（＝ｍ）個のパルスが入力されると、図６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（＝ｍ）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２次元画像信号が、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】
（入力部とリザーバ部の接続形態）
図７に、入力部とリザーバ部の接続形態の第１例を示す。図２に示した構成では、入力部１１は、２次元画像信号を、行ごとに１つのデータに圧縮して３個の一次元データに変換し、それぞれを時間軸方向へＫ倍に引き延ばして時系列信号を生成し、リザーバ部１２に順にシリアル伝送する。これに対して、入力部１１の光変調部１１２および光源１１３と、リザーバ部１２の合流部１２１とをそれぞれ複数（第１例では３組）用意して、入力部１１とリザーバ部１２との間をパラレル伝送にしてもよい。
【００３３】
リザーバ部１２の合流部１２１ａ〜１２１ｃは、入力部１１から伝搬された一次元入力信号が、リング導波路１２４上で重なり合うように、タイミングを調整して出力する。装置構成が複雑になるものの、リザーバ部１２において光パルス列を重ね合わせるために周回する回数が減るので、より高速に演算を行うことができる。
【００３４】
図８に、入力部とリザーバ部の接続形態の第２例を示す。第２例では、入力部１１の光変調部１１２および光源１１３を複数（第２例では３組）用意し、光源１３１ａ〜１３１ｃの波長を変えて、各組の一次元入力信号を異なる波長の光パルス列として生成する。合波部１１４において、各組の光パルス列を合波して一次元入力信号を生成し、リザーバ部１２に伝送する。
【００３５】
第１例と比較すると、リザーバ部１２の構成を変更する必要が無く、装置構成を簡略化することができる。
【００３６】
［出力部］
図９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、Ｎ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。
【００３７】
出力部１３における力学系を式（２）に示す。
【００３８】
【数２】
2020030319.tif 000004
【００３９】
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次元出力を生成する。出力部の重みｗoは、リザーバ部１２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。
【００４０】
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。
【００４１】
（出力部の変形例）
図１０に、本実施形態にかかる光信号処理装置の出力部の変形例を示す。基本的な構成は図８と同じであるため異なる箇所のみ説明する。出力部１３は、リザーバ部１２より出射された光パルス列を処理して、Ｎ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ｍｘＢ個ずつ取り出してｍｘＢ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。
【００４２】
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ｍｘＢ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、ｍｘＢ個の信号からＮ次元出力を生成する。このＢは、リザーバ部１２の周回数であり、パルス列がリザーバ部１２をＢ周回する間に吐き出されたｍｘＢ個の信号を電気演算処理部１３２の入力としている。出力部の重みｗoは、リザーバ部１２から得たｍｘＢ個の信号と、入力データの望ましい分類結果とを用いて、擬似逆行列法によって計算される値である。
【００４３】
例えば、図３に示したように、３ｘ３画素のデータを１行ずつ入力する場合を考えると、１行分のデータを入力する毎に出力部１３から分類結果が出力される。全体の分類結果を得るには、３行分の分類結果の各確率をもう一度計算する必要がある。本実施例によれば、Ｂ＝３とすれば１枚分の分類結果を１回の出力部１３の計算のみで計算することができるため、再計算は不要となるメリットがある。
【００４４】
本実施形態の光信号処理装置によれば、異なる次元数の入出力が要求された場合であっても、同じ装置構成を用いて演算を行うことができる。入出力次元数が増加しても変復調器の数を増やす必要がないので、従来の光ＲＣと比較して、装置の作製コストが増大するのを抑制することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１１  入力部
１２  リザーバ部
１３  出力部
１１１  変換部
１１２  光変調部
１１３  光源
１１４  合波部
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】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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