鍺硅光電探測器實現非線性激活和在線監控

  近年來，硅基光子集成芯片憑借其大帶寬、低能耗和可量產的優勢，在光子神經網絡領域顯示出巨大潛力，但光子神經網絡的進一步發展受限于硅集成的可監控光學神經元。首先，由于硅的非線性效應較弱，通常需要在硅上異質集成其他材料，如相變材料和二維材料等，但其穩定性和量產能力尚不令人滿意;其次，缺乏合適的監控和反饋技術來進行高效的網絡訓練，節點故障的監測和環境波動的補償。

  為解決上述問題，華中科技大學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吸收效應來實現全光非線性激活函數，同時利用該過程中轉化而來的光電流監控神經元的狀態，有效緩解了硅光子神經網絡面臨的困境。不僅可以在光域完成高速、低功耗的機器學習推理，而且可以在電域在線訓練、實時監控節點故障和環境波動。

圖1 基于鍺硅探測器的神經網絡架構

圖2 非線性鍺硅探測器網絡實物圖

  基于該技術的非線性網絡具有功能豐富、結構緊湊、準確度高等優點。由于材料的穩定性和量產能力高，該工作為未來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研發計劃、國家自然科學基金、湖北光谷實驗室創新科研項目和華中科技大學學術前沿青年團隊的資助。華中科技大學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。相關成果以Nonlinear germanium-silicon photodiode for activation and monitoring in photonic neuromorphic networks 為題發表在《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”