En la era digital actual, las tareas informáticas son cada vez más complejas. Esto, a su vez, ha llevado a un crecimiento exponencial de la energía consumida por las computadoras digitales. Por lo tanto, es necesario desarrollar recursos de hardware que puedan realizar computación a gran escala de manera rápida y con ahorro de energía.

En este sentido, las computadoras ópticas, que usan luz en lugar de electricidad para realizar cálculos, son prometedoras. Es probable que proporcione un menor tiempo de respuesta y un menor consumo de energía, aprovechando el paralelismo que tienen los sistemas ópticos. Como resultado, los investigadores han explorado diferentes diseños para la computación óptica. Por ejemplo, la red óptica reflectante se diseñó combinando la óptica con el aprendizaje profundo para realizar tareas computacionales visualmente complejas, como la clasificación y reconstrucción de imágenes. Consiste en una pila de capas de difracción estructuradas, cada una con miles de características/neuronas reflectantes. Estas capas pasivas se utilizan para controlar las interacciones luz-material para modular la luz de entrada y producir la salida deseada. Los investigadores entrenan la red reflexiva optimizando el perfil de estas capas utilizando herramientas de aprendizaje profundo. Después de fabricar el diseño resultante, este marco funciona como una unidad de procesamiento visual autónoma que solo requiere una fuente de luz de entrada para funcionar.

Hasta la fecha, los investigadores han logrado diseñar redes de difracción monocromáticas o de longitud de onda única para implementar un único proceso de transformación lineal (multiplicación de matriz). Pero, ¿es posible realizar varias transformaciones lineales simultáneamente? El mismo grupo de investigación de la UCLA que introdujo por primera vez las redes ópticas de difracción ha abordado esta cuestión recientemente. En un estudio reciente Publicado en fotónica avanzadautilizaron un esquema de multiplexación de longitud de onda en una red óptica de difracción y demostraron la viabilidad de utilizar un procesador de difracción de banda ancha para realizar transformaciones lineales paralelas masivas.

El profesor Aydoğan Özkan, presidente del grupo de investigación de la Facultad de Ingeniería Samueli de la UCLA, describe brevemente la arquitectura y los principios de este procesador óptico: “El procesador óptico refractivo de banda ancha tiene entradas y salidas de campo de visión utilizando N_yo norte_a píxeles, respectivamente. Están interconectados por capas refractivas estructurales sucesivas, que están hechas de materiales conductores negativos. Un conjunto predeterminado de N._w Las longitudes de onda separadas codifican la información de entrada y salida. Cada longitud de onda se asigna a una función de destino única o transformación lineal con un valor complejo “, explica. “Estas transformaciones de destino se pueden asignar específicamente a distintas funciones, como la clasificación y segmentación de imágenes, o se pueden personalizar para calcular diferentes operaciones de filtro convolucional. o capas totalmente conectadas en una red neuronal. Todas estas transformaciones lineales o funciones requeridas se realizan simultáneamente a la velocidad de la luz, ya que a cada función requerida se le asigna una longitud de onda única. Esto permite que el procesador visual a gran escala calcule con el máximo rendimiento y paralelismo. “

Los investigadores demostraron que el diseño de un procesador óptico de múltiples longitudes de onda se puede aproximar norte_w Transformaciones lineales únicas con error insignificante en el número total de características de difracción norte es mayor o igual que 2𝑁_w𝑁_yo𝑁_a. Esta conclusión se confirma para 𝑁_w > 180 transformaciones características por simulación numérica válidas para materiales con diferentes propiedades de dispersión. Además, el uso de un norte (3𝑁_w𝑁_yo𝑁_a) 𝑁 aumentó_w Además de unas 2000 transformaciones únicas que se ejecutan en paralelo, todo visualmente.

Con respecto a las perspectivas de este nuevo diseño informático, Özkan señala: “Estos procesadores refractivos de múltiples longitudes de onda masivamente paralelos serán útiles para diseñar sistemas inteligentes de visión artificial de alto rendimiento y procesadores hiperespectrales, y pueden inspirar numerosas aplicaciones en varios campos, incluida la imagen. ” biomédica, teledetección y química analítica y ciencia de los materiales”.

Lea el artículo Gold Open Access de J. Li et al. “,”Transformaciones lineales globales masivamente paralelas utilizando una rejilla óptica refractiva de longitud de onda múltiple“,” caso. Fotón. 5(1), 016003 (2023), doi 10.1117/1.AP.5.1.016003.