Оптическая нейронная сеть

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Меркулов Владимир Сергеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Оптическая нейронная сеть, содержащая массив источников света, массив оптических фильтров, оптически связанных с источниками, и массив фотоприемников, каждый из которых через пороговое устройство подключен выходом к соответствующему источнику света, отличающаяся тем, что массив источников света выполнен в виде двумерной матрицы, каждый источник характеризуется собственной частотой света и оптически связан с каждым фильтром, а за каждым фильтром расположен соответствующий широкополосный фотоприемник из указанного массива, также выполненного в виде двумерной матрицы. 12021 1 2009.06.30 Изобретение относится к устройствам ассоциативной памяти и устройствам обработки информации, использующим принципы искусственных нейронных сетей и оптические компоненты. Область применения - вычислительная техника, системы распознавания образов, самообучающиеся системы. Известно устройство - искусственная нейронная сеть 1. В ее основе лежит массив искусственных нейронов. На вход каждого нейрона поступает некоторое множество электрических сигналов, каждый из которых является выходом другого нейрона. Каждый вход умножается на соответствующий вес, аналогичный синаптической силе, и все произведения суммируются и подвергаются пороговому преобразованию, определяя уровень активации нейрона 0 или 1 на последующем шаге- значение выхода -го нейрона на -ом шаге, - матрица весов, - значение порога активации -го нейрона. Процесс функционирования нейронной сети может быть описан математически в виде умножения вектора на матрицу с последующим пороговым преобразованием. В нейронной сети с обратными связями, например в сети Хопфилда, выходные сигналы массива нейронов поступают на вход того же массива нейронов. После определенного количества шагов устойчивая сеть приходит к своему стационарному состоянию, обеспечивая тем самым распознавание информации или требуемые ассоциации. Недостатком данной искусственной нейронной сети является большое количество межсоединений большого количества нейронов. Существующие планарные технологии электронных схем и требования к электрической изоляции приводят к ограничению общего количества связей и тем самым к ограничению функциональных возможностей нейронной сети. Поэтому применяется оптическая нейронная сеть 2, включающая массив источников,массив оптических фильтров, оптически связанных с источниками, массив фотоприемников,причем выход каждого фотоприемника через пороговое устройство подключен к соответствующему источнику. Взаимное соединение нейронов с помощью световых лучей не требует изоляции между сигнальными путями, световые потоки могут проходить один через другой без взаимного влияния. Более того, сигнальные пути могут быть расположены в трех измерениях. Плотность путей передачи ограничена только размерами источников света, их расходимостью и размерами фотоприемника. Наконец, все сигнальные пути могут работать одновременно, тем самым обеспечивая высокую скорость передачи данных. В результате система способна обеспечить полный набор связей, работающих со скоростью света. В основе оптической нейронной сети лежит оптический матричный умножитель, изображенный на фиг. 1, где 1 - массив фотоприемников, 2 - массив оптических фильтров, 3 массив источников, 4 - конденсор. Массивы источников и фотоприемников источников должны быть одномерными. Все источники генерируют свет с одной и той же частотой. Массив оптических фильтров настроен на единственную частоту излучателей. Конденсоры цилиндрические линзы - обеспечивают оптическую связь каждого источника с частью массива фильтров. Оптическая нейронная сеть, описанная в 2, является наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению, то есть наиболее близким аналогом-прототипом. Недостатком прототипа является то, что массивы излучателей и фотоприемников должны быть одномерными, что приводит к ограничению плотности искусственных нейронов, а также увеличению габаритов устройства. Высокие требования 2 12021 1 2009.06.30 предъявляются к цилиндрическим линзам - конденсорам и к расходимости излучения источников. Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей оптической нейронной сети за счет использования спектральной составляющей излучения, что приводит к увеличению емкости сети и к снижению требований к расходимости излучения источников. Поставленная задача достигается тем, что оптическая нейронная сеть, содержащая массив источников, массив фильтров, оптически связанных с источниками, и массив фотоприемников, каждый из которых через пороговое устройство подключен выходом к соответствующему источнику света, причем массив источников света выполнен в виде двумерной матрицы, каждый источник характеризуется собственной частотой света и оптически связан с каждым фильтром, а за каждым фильтром расположен соответствующий широкополосный фотоприемник из указанного массива, также выполненного в виде двумерной матрицы. Схема предлагаемой оптической нейронной сети приведена на фиг. 2, где 1 - массив фотоприемников, 2 - массив оптических фильтров, 3 - массив источников, 4 - конденсор, 5- световод. Матрица источников является двумерной. Каждый источник с координатамииспускает монохроматическое излучение определенной частотыи интенсивностью (-), где- дельта-функция. Конденсоры 4, представляющие собой сферические линзы, обеспечивают ввод и вывод излучения из световода. При прохождении системы конденсор-световод-конденсор излучение от различных источников перемешивается. В случае равномерного распределения интенсивности излучения от каждого источника по массиву фильтров на выходе фильтра с координатамии на входе фотоприемника с такими же координатами будет сигнал, пропорциональный следующему выражению Отсюда видно, что роль матрицы весов выполняет следующая матрица,т.е. ее компоненты равны соответствующим значениям коэффициента пропускания оптического фильтра с координатамина частоте источника . Здесь индексы а ипробегают значения от 1 до 2 в соответствии с парами индексови . Электрический сигнал фотоприемника с координатамиподвергается пороговому преобразованию, затем он поступает на вход излучателя с координатами . В зависимости от величины сигнала излучатель либо включается и происходит генерация излучения с частотой(активное состояние нейрона), либо излучатель не включается (пассивное состояние нейрона). Далее процесс повторяется циклически, пока нейронная сеть не придет к стационарному состоянию. Сравнительные характеристики заявленной оптической нейронной сети и прототипа по цели изобретения заключаются в том, что в качестве массива излучающих элементов и массива фотоприемников используют двумерные матрицы, что приводит к существенному повышению плотности нейронов. Каждый источник оптически связан с каждым из фильтров, что приводит к снижению требований к расходимости излучения и используемым конденсорам. Использование настоящего изобретения расширяет функциональные возможности оптической нейронной сети за счет использования спектральной составляющей излучения,что приводит к увеличению емкости сети, уменьшению ее весогабаритных параметров. Заявляемая оптическая нейронная сеть может быть использована в качестве ассоциативной памяти, в системах распознавания образов., 1989 Пер. Ф. Уоссермен. Нейрокомпьютерная техника Теория и практика, 1992. 2.. .,.,.,... . 24. - . 1469, 1985. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.