La luz puede calcular funciones durante su propagación e interacción con materiales estructurados, con alta velocidad y bajo consumo de energía. Lograr la computación universal utilizando redes neuronales totalmente ópticas requiere capas de activación óptica con dependencia no lineal de la entrada. Sin embargo, los materiales ópticos no lineales existentes son lentos o tienen una no linealidad muy débil bajo los niveles de intensidad de la luz natural capturados por una cámara. Por lo tanto, el diseño y desarrollo de nuevas funciones de activación óptica es esencial para realizar redes neuronales ópticas que computan con luz ambiental.
En un artículo publicado en Nature Communications , un equipo de investigación dirigido por el profesor Xiangfeng Duan y el profesor Aydogan Ozcan de la Universidad de California, Los Ángeles (UCLA), EE. UU., informó sobre una nueva estrategia que utiliza una matriz de neuronas optoelectrónicas para lograr una fuerte no linealidad óptica a baja intensidad óptica para luz incoherente de banda ancha.
Su dispositivo integra de forma heterogénea fototransistores (TPT) transparentes bidimensionales (2D) con moduladores de cristal líquido (LC). En condiciones de poca iluminación, el TPT es altamente resistivo y la mayor parte de la caída de voltaje ocurre en el TPT. El LC no se ve perturbado y sigue siendo transmisivo. Sin embargo, con una potencia óptica de entrada alta, el TPT se vuelve conductivo, por lo que la mayor parte del voltaje cae a través de la capa LC, cortando la transmisión óptica.
En su demostración experimental, las neuronas optoelectrónicas diseñadas permitieron que la luz espacial y temporalmente incoherente en las longitudes de onda visibles modulara de forma no lineal su propia amplitud con solo ~ 20% de pérdida de fotones. Fabricaron una matriz de neuronas optoelectrónicas de 100 × 100 (10 000) y demostraron un fuerte comportamiento no lineal bajo iluminación láser y de luz blanca.
La matriz optoelectrónica no lineal se integró aún más como parte de un sistema de imágenes basado en teléfonos móviles para la reducción inteligente del deslumbramiento, bloqueando selectivamente los reflejos intensos y presentando poca atenuación para los objetos de intensidad más débil dentro del campo de visión de la imagen.
El modelado del dispositivo sugiere un umbral de intensidad óptica muy bajo de 56 μW/cm 2 para generar una respuesta no lineal significativa y un bajo consumo de energía de 69 fJ por activación fotónica para los dispositivos optimizados.
Una matriz de neuronas optoelectrónicas de este tipo permite la modulación de autoamplitud no lineal de luz espacialmente incoherente, presentando un umbral de intensidad óptica bajo, un fuerte contraste no lineal, una respuesta espectral amplia, una velocidad rápida y una baja pérdida de fotones. El rendimiento es muy deseable para el procesamiento de imágenes y los sistemas informáticos visuales que no dependen de rayos láser intensos.
Además de la reducción inteligente del deslumbramiento, la integración en cascada de matrices de neuronas optoelectrónicas con procesadores ópticos difractivos lineales podría usarse para construir redes ópticas no lineales, lo que podría encontrar aplicaciones generalizadas en imágenes y detección computacionales, y también abriría la puerta a nuevos diseños de procesadores ópticos no lineales que utilicen luz ambiental.
Más información: Dehui Zhang et al, Modulación no lineal de banda ancha de luz incoherente utilizando una matriz de neuronas optoelectrónicas transparentes, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46387-5
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por el Instituto de Ingeniería para el Avance Tecnológico de UCLA
