2D optoelektronisk neuron array opnår bredbånd og lav-tab optisk ikke-linearitet tilgængelig med omgivende lys

Lys kan beregne funktioner under dets udbredelse og interaktion med strukturerede materialer med høj hastighed og lavt energiforbrug. Opnåelse af universel databehandling ved hjælp af optiske neurale netværk kræver optiske aktiveringslag med ikke-lineær afhængighed af input. Imidlertid er de eksisterende optiske ikke-lineære materialer enten langsomme eller har meget svag ikke-linearitet under de naturlige lysintensitetsniveauer, der fanges af et kamera. Derfor er design og udvikling af nye optiske aktiveringsfunktioner afgørende for at realisere optiske neurale netværk, der beregner med omgivende lys.

I et papir udgivet i Nature Communications , et forskerhold ledet af professor Xiangfeng Duan og professor Aydogan Ozcan fra University of California, Los Angeles (UCLA), USA, rapporterede om en ny strategi ved hjælp af en optoelektronisk neuron-array for at opnå stærk optisk ikke-linearitet ved lav optisk intensitet for bredbånds usammenhængende lys.

Deres enhed integrerer heterogent todimensionelle (2D) transparente fototransistorer (TPT'er) med flydende krystal (LC) modulatorer. Under svag belysning er TPT'en meget modstandsdygtig, og det meste af spændingsfaldet sker på TPT'en. LC'en er uforstyrret og forbliver transmissiv. Ved høj input optisk effekt bliver TPT'en imidlertid ledende, så det meste af spændingen falder hen over LC-laget, hvilket afbryder den optiske transmission.

I deres eksperimentelle demonstration tillod de designede optoelektroniske neuroner rumligt og tidsmæssigt usammenhængende lys i de synlige bølgelængder til ikke-lineært at modulere sin egen amplitude med kun ~20% fotontab. De fremstillede et 100×100 (10.000) optoelektronisk neuronarray og demonstrerede en stærk ikke-lineær adfærd under laser- og hvidlysbelysning.

Det ikke-lineære optoelektroniske array blev yderligere integreret som en del af et mobiltelefon-baseret billeddannelsessystem til intelligent refleksreduktion, der selektivt blokerer intense blændinger, mens den præsenterer en lille dæmpning for de svagere intensitetsobjekter i det billeddannende synsfelt.

Enhedsmodelleringen foreslår en meget lav optisk intensitetstærskel på 56 μW/cm ² at generere en signifikant ikke-lineær respons og et lavt energiforbrug på 69 fJ pr. fotonisk aktivering for de optimerede enheder.

Et sådant optoelektronisk neuronarray muliggør ikke-lineær selvamplitudemodulation af rumligt usammenhængende lys, med en lav optisk intensitetstærskel, stærk ikke-lineær kontrast, bred spektral respons, hurtig hastighed og lavt fotontab. Ydeevnen er yderst ønskværdig til billedbehandling og visuelle computersystemer, der ikke er afhængige af intense laserstråler.

Udover intelligent blændingsreduktion kan den kaskadedelte integration af optoelektroniske neuron-arrays med lineære diffraktive optiske processorer bruges til at konstruere ikke-lineære optiske netværk, potentielt finde udbredte applikationer inden for computational imaging og sensing, hvilket også åbner døren for nye ikke-lineære optiske processordesigns ved hjælp af omgivende lys.

Flere oplysninger: Dehui Zhang et al., Bredbånds ikke-lineær modulering af inkohærent lys ved hjælp af en transparent optoelektronisk neuron array, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46387-5

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af UCLA Engineering Institute for Technology Advancement