鍺硅光電探測器實現(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，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)來進行高效的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，節(jié)點故障的監(jiān)測和環(huán)境波動的補償。

  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隊利用非線性鍺硅光電探測器的非線性光學(xué)吸收效應(yīng)來實現(xiàn)全光非線性激活函數(shù)，同時利用該過程中轉(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、低功耗的機器學(xué)習(xí)推理，而且可以在電域在線訓(xùn)練、實時監(jiān)控節(jié)點故障和環(huán)境波動。

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

圖2 非線性鍺硅探測器網(wǎng)絡(luò)實物圖

  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、準確度高等優(yōu)點。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研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、湖北光谷實驗室創(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。

  文章來源：微信公眾號“武漢光電國家研究中心”