La lumière peut calculer des fonctions lors de sa propagation et de son interaction avec des matériaux structurés, à grande vitesse et avec une faible consommation d'énergie. Parvenir à une informatique universelle à l’aide de réseaux neuronaux entièrement optiques nécessite des couches d’activation optique avec une dépendance non linéaire à l’entrée. Cependant, les matériaux optiques non linéaires existants sont soit lents, soit présentent une non-linéarité très faible sous les niveaux d'intensité lumineuse naturelle capturés par une caméra. Par conséquent, la conception et le développement de nouvelles fonctions d'activation optique sont essentiels pour réaliser des réseaux de neurones optiques qui calculent avec la lumière ambiante.
Dans un article publié dans Nature Communications , une équipe de recherche dirigée par le professeur Xiangfeng Duan et le professeur Aydogan Ozcan de l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA), aux États-Unis, a rapporté une nouvelle stratégie utilisant un réseau de neurones optoélectroniques pour obtenir une forte non-linéarité optique à faible intensité optique pour une lumière incohérente à large bande.
Leur dispositif intègre de manière hétérogène des phototransistors transparents (TPT) bidimensionnels (2D) avec des modulateurs à cristaux liquides (LC). Sous un faible éclairage, le TPT est hautement résistif et la majeure partie de la chute de tension se produit sur le TPT. Le LC est imperturbable et reste transmissif. Cependant, à puissance optique d'entrée élevée, le TPT devient conducteur, de sorte que la majeure partie de la tension chute à travers la couche LC, coupant ainsi la transmission optique.
Dans leur démonstration expérimentale, les neurones optoélectroniques conçus ont permis à une lumière spatialement et temporellement incohérente dans les longueurs d'onde visibles de moduler de manière non linéaire sa propre amplitude avec seulement environ 20 % de perte de photons. Ils ont fabriqué un réseau de neurones optoélectroniques de 100 × 100 (10 000) et ont démontré un fort comportement non linéaire sous un éclairage laser et par lumière blanche.
Le réseau optoélectronique non linéaire a ensuite été intégré dans le cadre d'un système d'imagerie basé sur un téléphone portable pour une réduction intelligente de l'éblouissement, bloquant sélectivement les éblouissements intenses tout en présentant peu d'atténuation pour les objets de plus faible intensité dans le champ de vision de l'imagerie.
La modélisation du dispositif suggère un seuil d'intensité optique très faible de 56 μW/cm 2 . pour générer une réponse non linéaire significative et une faible consommation d'énergie de 69 fJ par activation photonique pour les appareils optimisés.
Un tel réseau de neurones optoélectroniques permet une modulation non linéaire de l'auto-amplitude d'une lumière spatialement incohérente, avec un faible seuil d'intensité optique, un fort contraste non linéaire, une réponse spectrale large, une vitesse rapide et une faible perte de photons. Ces performances sont hautement souhaitables pour les systèmes de traitement d'images et de calcul visuel qui ne reposent pas sur des faisceaux laser intenses.
Outre la réduction intelligente de l'éblouissement, l'intégration en cascade de réseaux de neurones optoélectroniques avec des processeurs optiques diffractifs linéaires pourrait être utilisée pour construire des réseaux optiques non linéaires, trouvant potentiellement des applications généralisées dans l'imagerie et la détection informatiques, ouvrant également la porte à de nouvelles conceptions de processeurs optiques non linéaires utilisant la lumière ambiante.
Plus d'informations : Dehui Zhang et al, Modulation non linéaire à large bande de la lumière incohérente à l'aide d'un réseau de neurones optoélectroniques transparents, Nature Communications (2024). DOI :10.1038/s41467-024-46387-5
Informations sur le journal : Communications naturelles
Fourni par l'UCLA Engineering Institute for Technology Advancement
