Udførelse af optiske logiske operationer af et diffraktivt neuralt netværk

Optiske logiske operationer har vakt stor interesse i det sidste årti, da de kan muliggøre mange applikationer, især dem, der involverer high-throughput og on-the-fly databehandling såsom sikker trådløs kommunikation og autonom kørsel. Imidlertid, de rapporterede optiske logikporte er stærkt afhængige af den præcise styring af inputlys/pumpelys, inklusive fasen, polarisering, og amplitude. På grund af kompleksiteten og vanskeligheden ved disse præcise kontroller, de to udgangstilstande kan lide af en iboende ustabilitet og et lavt kontrastforhold af intensitet. I øvrigt, miniaturiseringen af ​​optiske logiske porte bliver vanskelig, hvis det ekstra omfangsrige apparat til disse kontroller overvejes. Som sådan, det er ønskeligt, omend udfordrende, at slippe af med disse komplicerede kontroller og opnå fuld logisk funktionalitet i et kompakt fotonisk system.

I et nyt blad udgivet i Letvidenskab og applikationer , forskere fra det tværfaglige center for kvanteinformation, Zhejiang Universitet, Kina, og kolleger indførte en enkel, men universel designstrategi, nemlig diffraktive neurale netværk, at realisere alle syv grundlæggende optiske logiske operationer inden for det samme kompakte system, simpelthen ved hjælp af en plan bølge som indgangssignal. Det diffraktive neurale netværk implementeres af en sammensat Huygens metasurface, og det kan delvis efterligne funktionaliteten af ​​et kunstigt neuralt netværk. Efter træning, den sammensatte metaoverflade kan retningsbestemt sprede eller fokusere det inputkodede lys i et af de to udpegede små områder/punkter, den ene repræsenterer logisk tilstand '1' og den anden '0'. Som en konceptuel demonstration, tre grundlæggende logiske porte, dvs. IKKE, ELLER, og OG, er eksperimentelt verificeret ved hjælp af en to-lags højeffektiv dielektrisk metaoverflade ved mikrobølge bølgelængde.

Sammenlignet med tidligere værker, denne designstrategi har to forskellige fordele. Først, realiseringen af ​​optiske logiske operationer her slipper af med den komplicerede og præcise kontrol af indgangslysets funktioner; sådan en ordning er således totalt forskellig fra tidligere værker. I øvrigt, design af inputlaget er meget generelt og kraftfuldt, og det kan fleksibelt ændres til andre brugerbegunstigede og programmerbare former. Sekund, den foreslåede strategi kan muliggøre komplette logiske funktioner i et enkelt optisk netværk, hvis inputlagets transmittansstilstand simpelthen kan indstilles, f.eks., kan indstilles elektrisk, hvis den optiske maske er konstrueret af en rumlig lysmodulator. Derfor, den afslørede universelle designstrategi har potentiale til at lette en enkelt miniaturiseret programmerbar fotonisk processor til vilkårlige logiske operationer.

Forskerne mener, at de fuldt udstyrede optiske logiske porte muliggør et stort skridt til yderligere miniaturiserede, høj computertæthed og ultrahurtige computerelementer, lovet af nanofotoniske kredsløb og metastrukturer. Udover det, den foreslåede tilgang vil også føre til et bredt anvendelsesområde, såsom objektgenkendelse i realtid i overvågningssystemer, og intelligent bølgeformning inde i biologiske væv i mikroskopisk billeddannelse.