鍺硅光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)非線性激活和在線監(jiān)控

  近年來，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(shì)，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(jiān)控光學(xué)神經(jīng)元。首先，由于硅的非線性效應(yīng)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(wěn)定性和量產(chǎn)能力尚不令人滿意;其次，缺乏合適的監(jiān)控和反饋技術(shù)來進(jìn)行高效的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，節(jié)點(diǎn)故障的監(jiān)測(cè)和環(huán)境波動(dòng)的補(bǔ)償。

  為解決上述問題，華中科技大學(xué)張新亮教授和余宇教授團(tuán)隊(duì)利用非線性鍺硅光電探測(cè)器的非線性光學(xué)吸收效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)全光非線性激活函數(shù)，同時(shí)利用該過程中轉(zhuǎn)化而來的光電流監(jiān)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(jī)器學(xué)習(xí)推理，而且可以在電域在線訓(xùn)練、實(shí)時(shí)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)故障和環(huán)境波動(dòng)。

圖1 基于鍺硅探測(cè)器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖2 非線性鍺硅探測(cè)器網(wǎng)絡(luò)實(shí)物圖

  基于該技術(shù)的非線性網(wǎng)絡(luò)具有功能豐富、結(jié)構(gòu)緊湊、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。由于材料的穩(wěn)定性和量產(chǎn)能力高，該工作為未來大規(guī)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(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、湖北光谷實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新科研項(xiàng)目和華中科技大學(xué)學(xué)術(shù)前沿青年團(tuán)隊(duì)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(píng)選為 Editor’s highlight。

  文章來源：微信公眾號(hào)“武漢光電國家研究中心”