La luce può calcolare funzioni durante la sua propagazione e l'interazione con materiali strutturati, con elevata velocità e basso consumo energetico. Il raggiungimento dell’elaborazione universale utilizzando reti neurali completamente ottiche richiede livelli di attivazione ottica con dipendenza non lineare dall’input. Tuttavia, i materiali ottici non lineari esistenti sono lenti o presentano una non linearità molto debole ai livelli di intensità della luce naturale catturati da una telecamera. Pertanto, la progettazione e lo sviluppo di nuove funzioni di attivazione ottica sono essenziali per realizzare reti neurali ottiche che calcolino con la luce ambientale.
In un articolo pubblicato su Nature Communications , un gruppo di ricerca guidato dal professor Xiangfeng Duan e dal professor Aydogan Ozcan dell'Università della California, Los Angeles (UCLA), Stati Uniti, ha segnalato una nuova strategia che utilizza una matrice di neuroni optoelettronici per ottenere una forte nonlinearità ottica a bassa intensità ottica per la luce incoerente a banda larga.
Il loro dispositivo integra in modo eterogeneo fototransistor trasparenti (TPT) bidimensionali (2D) con modulatori a cristalli liquidi (LC). In condizioni di scarsa illuminazione, il TPT è altamente resistivo e la maggior parte della caduta di tensione si verifica sul TPT. La LC è imperturbabile e rimane trasmissiva. A un'elevata potenza ottica in ingresso, tuttavia, il TPT diventa conduttivo, quindi la maggior parte della tensione cade attraverso lo strato LC, interrompendo la trasmissione ottica.
Nella loro dimostrazione sperimentale, i neuroni optoelettronici progettati hanno consentito alla luce incoerente spazialmente e temporalmente nelle lunghezze d'onda visibili di modulare in modo non lineare la propria ampiezza con una perdita di fotoni solo del 20% circa. Hanno fabbricato una matrice di neuroni optoelettronici 100×100 (10.000) e hanno dimostrato un forte comportamento non lineare sotto illuminazione laser e luce bianca.
L'array optoelettronico non lineare è stato ulteriormente integrato come parte di un sistema di imaging basato su cellulare per la riduzione intelligente dell'abbagliamento, bloccando selettivamente i riflessi intensi e presentando al contempo un'attenuazione minima per gli oggetti di intensità più debole all'interno del campo visivo dell'immagine.
La modellazione del dispositivo suggerisce una soglia di intensità ottica molto bassa di 56 μW/cm 2 per generare una risposta non lineare significativa e un basso consumo energetico di 69 fJ per attivazione fotonica per i dispositivi ottimizzati.
Un tale array di neuroni optoelettronici consente la modulazione non lineare dell'ampiezza propria della luce spazialmente incoerente, caratterizzata da una bassa soglia di intensità ottica, forte contrasto non lineare, ampia risposta spettrale, velocità elevata e bassa perdita di fotoni. Le prestazioni sono altamente desiderabili per i sistemi di elaborazione delle immagini e di visual computing che non si affidano a raggi laser intensi.
Oltre alla riduzione intelligente dell’abbagliamento, l’integrazione a cascata di array di neuroni optoelettronici con processori ottici diffrattivi lineari potrebbe essere utilizzata per costruire reti ottiche non lineari, trovando potenzialmente applicazioni diffuse nell’imaging e nel rilevamento computazionale, aprendo anche la porta a nuovi progetti di processori ottici non lineari che utilizzano la luce ambientale.
Ulteriori informazioni: Dehui Zhang et al, Modulazione non lineare a banda larga della luce incoerente utilizzando una matrice di neuroni optoelettronici trasparenti, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46387-5
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito da UCLA Engineering Institute for Technology Advancement
