Wetenschap
2D opto-elektronische neuronenarray bereikt breedband en optische niet-lineariteit met weinig verlies die toegankelijk is met omgevingslicht
Licht kan functies berekenen tijdens de voortplanting en interactie met gestructureerde materialen, met hoge snelheid en een laag energieverbruik. Het bereiken van universeel computergebruik met behulp van volledig optische neurale netwerken vereist optische activeringslagen met niet-lineaire afhankelijkheid van input. De bestaande optische niet-lineaire materialen zijn echter traag of hebben een zeer zwakke niet-lineariteit onder de natuurlijke lichtintensiteitsniveaus die door een camera worden vastgelegd. Daarom is het ontwerp en de ontwikkeling van nieuwe optische activeringsfuncties essentieel voor het realiseren van optische neurale netwerken die met omgevingslicht berekenen.
In een artikel gepubliceerd in Nature Communications rapporteerde een onderzoeksteam onder leiding van professor Xiangfeng Duan en professor Aydogan Ozcan van de Universiteit van Californië, Los Angeles (UCLA), VS, een nieuwe strategie met behulp van een opto-elektronische neuronenarray om sterke optische niet-lineariteit te bereiken bij lage optische intensiteit voor breedband-incoherent licht.
Hun apparaat integreert op heterogene wijze tweedimensionale (2D) transparante fototransistoren (TPT's) met vloeibaar-kristalmodulatoren (LC). Bij weinig licht is de TPT zeer resistief en treedt het grootste deel van de spanningsval op de TPT op. De LC is onverstoorbaar en blijft transmissief. Bij een hoog optisch ingangsvermogen wordt de TPT echter geleidend, waardoor het grootste deel van de spanning over de LC-laag zakt, waardoor de optische transmissie wordt uitgeschakeld.
In hun experimentele demonstratie lieten de ontworpen opto-elektronische neuronen ruimtelijk en temporeel onsamenhangend licht in de zichtbare golflengten toe om zijn eigen amplitude niet-lineair te moduleren met slechts ~ 20% fotonenverlies. Ze vervaardigden een 100×100 (10.000) opto-elektronische neuronenarray en vertoonden een sterk niet-lineair gedrag onder laser- en witlichtverlichting.
De niet-lineaire opto-elektronische array werd verder geïntegreerd als onderdeel van een op mobiele telefoons gebaseerd beeldvormingssysteem voor intelligente verblindingsreductie, waarbij selectief intense schitteringen worden geblokkeerd terwijl er weinig verzwakking wordt geboden voor de objecten met een zwakkere intensiteit binnen het gezichtsveld van de beeldvorming.
De modellering van het apparaat suggereert een zeer lage optische intensiteitsdrempel van 56 μW/cm 2 om een significante niet-lineaire respons te genereren, en een laag energieverbruik van 69 fJ per fotonische activering voor de geoptimaliseerde apparaten.
Een dergelijke opto-elektronische neuronenarray maakt niet-lineaire zelfamplitudemodulatie van ruimtelijk onsamenhangend licht mogelijk, met een lage optische intensiteitsdrempel, sterk niet-lineair contrast, brede spectrale respons, hoge snelheid en laag fotonverlies. De prestaties zijn zeer wenselijk voor beeldverwerkings- en visuele computersystemen die niet afhankelijk zijn van intense laserstralen.
Naast intelligente verblindingsreductie zou de gecascadeerde integratie van opto-elektronische neuronenarrays met lineaire diffractieve optische processors kunnen worden gebruikt om niet-lineaire optische netwerken te construeren, wat mogelijk wijdverbreide toepassingen zou kunnen vinden in computationele beeldvorming en detectie, en ook de deur zou openen voor nieuwe niet-lineaire optische processorontwerpen die gebruik maken van omgevingslicht.