【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部王俊研究員團(tuán)隊(duì)在用于光計(jì)算的全光非線性激活器研究方面取得進(jìn)展，相關(guān)成果以“Inverse-designed Integrated All-optical Nonlinear Activators for Optical Computing”為題發(fā)表于Optics Express。之后，王俊研究員團(tuán)隊(duì)與之江實(shí)驗(yàn)室、浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一種創(chuàng)新的集成非線性激活器，相關(guān)成果以“Ultra-broadband all-optical nonlinear activation function enabled by MoTe2/ optical waveguide integrated devices”為題發(fā)表于Nature Communications。
光計(jì)算和光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Optical Neural Networks，ONNs)被認(rèn)為有潛力解決當(dāng)前AI技術(shù)在能耗和計(jì)算效率上的瓶頸，未來有望成為AI計(jì)算硬件架構(gòu)的主流選擇之一。作為集成ONNs的核心組成部分，光學(xué)非線性激活函數(shù)在提升網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度和適應(yīng)多樣化應(yīng)用場(chǎng)景方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，現(xiàn)有的集成光學(xué)非線性激活器在響應(yīng)速度、激活閾值和工作帶寬等方面仍存在一定的局限性。此外，傳統(tǒng)集成光子器件還面臨通用性不足、高集成度及功能復(fù)雜器件設(shè)計(jì)難度較大等問題，這不利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成的ONNs。
為解決上述問題，研究人員通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于逆向設(shè)計(jì)的硅基全光集成非線性激活器，在器件設(shè)計(jì)中創(chuàng)新性引入了克爾非線性效應(yīng)，通過求解非線性麥克斯韋方程組，計(jì)算優(yōu)化結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)分布，使用 L-BFGS算法更新梯度，實(shí)現(xiàn)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。相比于傳統(tǒng)的光子集成器件，硅基全光集成非線性激活器的尺寸更加緊湊。此外，首次使用64通道 Reck 網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和全光非線性激活器形成完整的全連接ONN，驗(yàn)證了馬赫增德爾干涉儀的相位誤差對(duì)驗(yàn)證精度的影響。與線性函數(shù)相比，包含非線性激活函數(shù)的ONN對(duì)網(wǎng)格拓?fù)渲械南辔徽`差具有良好的魯棒性。本研究提出的結(jié)果未來很有希望適用于大規(guī)模芯片級(jí)ONNs。
圖1 基于非線性激活器的全集成 ONN 架構(gòu)示意圖
圖2 使用帶有非線性激活器的ONNs執(zhí)行基準(zhǔn)機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)的能力演示
為進(jìn)一步降低非線性激活器的非線性閾值和能耗，研究人員創(chuàng)新性地提出一種基于端面耦合的MoTe2/玻璃光波導(dǎo)平臺(tái)，制備了一種激活閾值低至0.94μW，響應(yīng)速度高達(dá)2.08 THz，工作帶寬超過1000 nm的全光集成非線性激活器。并且通過飛秒激光技術(shù)演示了在玻璃中制造出的三維大規(guī)模光波導(dǎo)陣列，以及集成的 MoTe2/光波導(dǎo)陣列的可能性。研究人員開發(fā)的方案和器件支持大規(guī)模、高密度集成和多層耦合網(wǎng)絡(luò)，這意味著可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的并行和級(jí)聯(lián)處理。此外，研究人員利用這一非線性激活器成功進(jìn)行了手寫數(shù)字識(shí)別和彩色圖像分類，取得了優(yōu)異的準(zhǔn)確率和卓越的性能。這項(xiàng)研究不僅推動(dòng)了光子集成技術(shù)的發(fā)展，也為未來高速光計(jì)算的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
圖3 光學(xué)神經(jīng)元的計(jì)算過程
圖4 MNIST手寫數(shù)字識(shí)別
圖5 CIFAR-10圖像識(shí)別
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