Innovativ flad optik vil indlede den næste teknologiske revolution

I et nyt blad udgivet i Lys:Videnskab og applikationer , en gruppe ledet af professor Andrea Fratalocchi fra Primalight Laboratory of the Computer, Afdelingen for elektriske og matematiske videnskaber og teknik (CEMSE), King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Saudi Arabien, introducerede en ny patenteret, skalerbar flad-optik-teknologi fremstillet med billige halvledere.

Den KAUST-designede teknologi udnytter et hidtil ukendt aspekt af optiske nanoresonatorer, som er påvist at besidde et fysisk lag, der fuldstændig svarer til et feed-forward dybt neuralt netværk.

"Hvad vi har opnået, "forklarer Fratalocchi, "er en teknologisk proces til at dække flade overflader, som i optisk jargon kaldes 'flad optik, 'med' fysiske 'neurale enheder, der er i stand til at behandle lys, som et neuralt netværk gør med et elektrisk signal. "

Disse innovative flade optik opnår næsten enhedseffektiviteter (op til 99%) i det synlige område i ultratynde overflader, som giver bredbånds- og vektorlysstyring i både transmission og refleksion med den ønskede bølgefrontform. I øvrigt, nanoshape siliciumoverfladen er ultratynd (60 nanometer tyk, 1 nm=1/1000000 på 1 mm) og kan tilpasses på fleksible overflader.

Programmet, der blev brugt til at designe nanooverfladen, kører på KAUSTs Shaheen-II supercomputer, en Cray XC40, der leverer over 7,2 Pflop/s teoretisk topydelse, og udføres med Autonomous Learning Framework for Rule-based Evolutionary Design software udviklet af Fratalocchi og hans team.

"Vi har udviklet et program, der bruger kunstig intelligens til at designe nanoresonatorerne. Algoritmen fungerer ved hjælp af evolutionære teknikker:i enkle vendinger, Algoritmen er i stand til at træne sig selv og forbedrer sine resultater efter hver cyklus for at producere overflader med stigende effektivitet, hver gang den køres. I vores artikel, vi viste eksperimentelle komponenter med bedre ydeevne end den nuværende state of the art inden for flad-optik eller fra kommercielle enheder tilgængelige fra førende virksomheder, såsom Thorlabs og Newport."

KAUSTs forskningsteam planlægger i øjeblikket at bruge flad optik til at udvikle nye flade enheder, der kan revolutionere ældre teknologier baseret på bulk optik. Blandt innovationerne, Fratalocchi og hans team bygger et kamera med menneskeøjne, en biosensor i stand til at 'læse' celler inficeret med malaria og nye typer skærme.

"Der er virkelig uendelige applikationer, " forklarer Fratalocchi, "fordi næsten alle eksisterende målesystemer, i princippet, kunne erstattes af deres omkostningseffektive, kompakte fladoptiske versioner. Vi udvikler en statistisk læringstilgang, der for enhver given måleopgave, designer en tilsvarende flad overflade, der koder målingen til et enkelt optisk billede, eller logogram. Med denne tilgang, hele området for sansning og metrologi kan blive til et naturligt sprog, der er baseret på ikke -lineære logogrammer. "

"Et af vores nuværende projekter er et fladt kamera, der kan se endnu bedre end det menneskelige øje, hvilket er begrænset ved kun at bruge tre primære receptorer til farvesyn. Vi kan også miniaturisere enhver komponent, uanset hvor omfangsrigt, " tilføjer Fratalocchi. "Nøglekonceptet her er, at et neuralt netværk er en universel approksimator, der kan lære enhver funktion. Af denne grund, vi kan træne vores flade optik til at udføre enhver opgave, eller en række opgaver, der i øjeblikket udføres af elektroniske systemer, bare på mindre plads og med lysets hastighed."

"Med ordentlig finansiering og ressourcer " konkluderer Fratalocchi, "om fem til 10 år, de fleste af nutidens omfangsrige teknologi vil være skrumpet til lommestørrelse, med en lignende revolution, som elektronikken oplevede i slutningen af ​​forrige århundrede."