Matriz de neurônios optoeletrônicos 2D alcança banda larga e não linearidade óptica de baixa perda acessível com luz ambiente
Matriz de neurônios optoeletrônicos 2D habilitada com integração heterogênea de fototransistores transparentes 2D (TPTs) com moduladores de cristal líquido (LC). A foto e o esquema do conjunto de neurônios optoeletrônicos apresentado. Cada neurônio usa a intensidade da luz incidente local para controlar o modulador LC, criando uma função de transmissão não linear personalizada. Crédito:Duan Lab e Ozcan Lab/UCLA. A luz pode computar funções durante sua propagação e interação com materiais estruturados, com alta velocidade e baixo consumo de energia. Alcançar a computação universal usando redes neurais totalmente ópticas requer camadas de ativação óptica com dependência não linear de entrada. No entanto, os materiais ópticos não lineares existentes são lentos ou têm uma não linearidade muito fraca sob os níveis de intensidade de luz natural capturados por uma câmera. Portanto, o projeto e o desenvolvimento de novas funções de ativação óptica são essenciais para a realização de redes neurais ópticas que computam com a luz ambiente.
Em artigo publicado na Nature Communications , uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Xiangfeng Duan e pelo professor Aydogan Ozcan da Universidade da Califórnia, Los Angeles (UCLA), EUA, relatou uma nova estratégia usando um conjunto de neurônios optoeletrônicos para alcançar forte não linearidade óptica em baixa intensidade óptica para luz incoerente de banda larga.
Seu dispositivo integra heterogeneamente fototransistores transparentes (TPTs) bidimensionais (2D) com moduladores de cristal líquido (LC). Sob iluminação com pouca luz, o TPT é altamente resistivo e a maior parte da queda de tensão ocorre no TPT. O LC não é perturbado e permanece transmissivo. No entanto, com alta potência óptica de entrada, o TPT torna-se condutivo, de modo que a maior parte da tensão cai através da camada LC, interrompendo a transmissão óptica.
Em sua demonstração experimental, os neurônios optoeletrônicos projetados permitiram que luz incoerente espacial e temporalmente nos comprimentos de onda visíveis modulasse de forma não linear sua própria amplitude com apenas ~20% de perda de fótons. Eles fabricaram um conjunto de neurônios optoeletrônicos de 100 × 100 (10.000) e demonstraram um forte comportamento não linear sob iluminação com laser e luz branca.
A matriz optoeletrônica não linear foi ainda integrada como parte de um sistema de imagem baseado em celular para redução inteligente de brilho, bloqueando seletivamente brilhos intensos e apresentando pouca atenuação para os objetos de intensidade mais fraca dentro do campo de visão da imagem.
A modelagem do dispositivo sugere um limite de intensidade óptica muito baixo de 56 μW/cm
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para gerar uma resposta não linear significativa e um baixo consumo de energia de 69 fJ por ativação fotônica para os dispositivos otimizados.
Esse conjunto de neurônios optoeletrônicos permite a modulação não linear de autoamplitude de luz espacialmente incoerente, apresentando um baixo limiar de intensidade óptica, forte contraste não linear, ampla resposta espectral, velocidade rápida e baixa perda de fótons. O desempenho é altamente desejável para processamento de imagens e sistemas de computação visual que não dependem de feixes de laser intensos.
Além da redução inteligente do brilho, a integração em cascata de matrizes de neurônios optoeletrônicos com processadores ópticos difrativos lineares poderia ser usada para construir redes ópticas não lineares, potencialmente encontrando aplicações generalizadas em imagens e sensores computacionais, abrindo também a porta para novos designs de processadores ópticos não lineares usando luz ambiente.
