鍺硅光電探測器實(shí)現非線(xiàn)性激活和在線(xiàn)監控

  近年來(lái)，硅基光子集成芯片憑借其大帶寬、低能耗和可量產(chǎn)的優(yōu)勢，在光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域顯示出巨大潛力，但光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的進(jìn)一步發(fā)展受限于硅集成的可監控光學(xué)神經(jīng)元。首先，由于硅的非線(xiàn)性效應較弱，通常需要在硅上異質(zhì)集成其他材料，如相變材料和二維材料等，但其穩定性和量產(chǎn)能力尚不令人滿(mǎn)意;其次，缺乏合適的監控和反饋技術(shù)來(lái)進(jìn)行高效的網(wǎng)絡(luò )訓練，節點(diǎn)故障的監測和環(huán)境波動(dòng)的補償。

  為解決上述問(wèn)題，華中科技大學(xué)張新亮教授和余宇教授團隊利用非線(xiàn)性鍺硅光電探測器的非線(xiàn)性光學(xué)吸收效應來(lái)實(shí)現全光非線(xiàn)性激活函數，同時(shí)利用該過(guò)程中轉化而來(lái)的光電流監控神經(jīng)元的狀態(tài)，有效緩解了硅光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )面臨的困境。不僅可以在光域完成高速、低功耗的機器學(xué)習推理，而且可以在電域在線(xiàn)訓練、實(shí)時(shí)監控節點(diǎn)故障和環(huán)境波動(dòng)。

圖1 基于鍺硅探測器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )架構

圖2 非線(xiàn)性鍺硅探測器網(wǎng)絡(luò )實(shí)物圖

  基于該技術(shù)的非線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò )具有功能豐富、結構緊湊、準確度高等優(yōu)點(diǎn)。由于材料的穩定性和量產(chǎn)能力高，該工作為未來(lái)大規模集成光子智能處理器提供了可能性。

  研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、湖北光谷實(shí)驗室創(chuàng )新科研項目和華中科技大學(xué)學(xué)術(shù)前沿青年團隊的資助。華中科技大學(xué)的余宇教授為論文的通訊作者，博士研究生石洋為論文的第一作者。相關(guān)成果以Nonlinear germanium-silicon photodiode for activation and monitoring in photonic neuromorphic networks 為題發(fā)表在《Nature Communications》上，并被評選為 Editor’s highlight。

  文章來(lái)源：微信公眾號“武漢光電國家研究中心”