Ljus kan beräkna funktioner under dess utbredning och interaktion med strukturerade material, med hög hastighet och låg energiförbrukning. För att uppnå universell datoranvändning med helt optiska neurala nätverk krävs optiska aktiveringslager med olinjärt beroende av input. De existerande optiska olinjära materialen är emellertid antingen långsamma eller har mycket svag olinjäritet under de naturliga ljusintensitetsnivåerna som fångas av en kamera. Därför är design och utveckling av nya optiska aktiveringsfunktioner avgörande för att realisera optiska neurala nätverk som beräknar med omgivande ljus.
I en artikel publicerad i Nature Communications , ett forskarlag ledd av professor Xiangfeng Duan och professor Aydogan Ozcan från University of California, Los Angeles (UCLA), USA, rapporterade en ny strategi som använder en optoelektronisk neuronuppsättning för att uppnå stark optisk olinjäritet vid låg optisk intensitet för inkoherent bredbandsljus.
Deras enhet integrerar heterogent tvådimensionella (2D) transparenta fototransistorer (TPT) med flytande kristaller (LC) modulatorer. Vid svag belysning är TPT mycket resistivt och det mesta av spänningsfallet sker på TPT. LC:n är ostörd och förblir transmissiv. Vid hög ingående optisk effekt blir dock TPT:n ledande, så det mesta av spänningen faller över LC-skiktet, vilket stänger av den optiska överföringen.
I sin experimentella demonstration tillät de designade optoelektroniska neuronerna rumsligt och tidsmässigt inkoherent ljus i de synliga våglängderna att olinjärt modulera sin egen amplitud med endast ~20% fotonförlust. De tillverkade en 100×100 (10 000) optoelektronisk neuronuppsättning och visade ett starkt olinjärt beteende under laser- och vitljusbelysning.
Den olinjära optoelektroniska arrayen integrerades ytterligare som en del av ett mobiltelefonbaserat bildsystem för intelligent bländningsreducering, som selektivt blockerar intensiva reflexer samtidigt som den ger liten dämpning för de svagare intensitetsobjekten inom bildåtergivningsfältet.
Enhetsmodelleringen föreslår en mycket låg optisk intensitetströskel på 56 μW/cm 2 för att generera en signifikant olinjär respons och en låg energiförbrukning på 69 fJ per fotonisk aktivering för de optimerade enheterna.
En sådan optoelektronisk neuronuppsättning möjliggör olinjär självamplitudmodulering av rumsligt inkoherent ljus, med en låg optisk intensitetströskel, stark olinjär kontrast, bred spektral respons, snabb hastighet och låg fotonförlust. Prestandan är mycket önskvärd för bildbehandling och visuella datorsystem som inte är beroende av intensiva laserstrålar.
Förutom intelligent bländningsreduktion kan den kaskadkopplade integrationen av optoelektroniska neuronuppsättningar med linjära diffraktiva optiska processorer användas för att konstruera olinjära optiska nätverk, potentiellt hitta utbredda tillämpningar inom datoravbildning och avkänning, vilket också öppnar dörren för nya olinjära optiska processordesigner som använder omgivande ljus.
Mer information: Dehui Zhang et al, Broadband olinjär modulering av inkoherent ljus med hjälp av en transparent optoelektronisk neuron array, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46387-5
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av UCLA Engineering Institute for Technology Advancement
