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Low-threshold all-optical nonlinear activation function based on a Ge/Si hybrid structure in a microring resonator

人工神经网络 谐振器 非线性系统 材料科学 MNIST数据库 计算机科学 光电子学 电子工程 光学 物理 人工智能 工程类 量子力学
作者
Bo Wu,Hengkang Li,Weiyu Tong,Jianji Dong,Xinliang Zhang
出处
期刊:Optical Materials Express [The Optical Society]
卷期号:12 (3): 970-970 被引量:50
标识
DOI:10.1364/ome.447330
摘要

Optical nonlinear activation function is an indispensable part of the optical neural network. While linear matrix computation has thrived in an integrated optical neural network, there are many challenges for nonlinear activation function on a chip such as large latency, high power consumption and high threshold. Here, we demonstrate that Ge/Si hybrid structure would be a qualified candidate owing to its property of CMOS-compatibility, low nonlinear threshold and compact footprint. Thanks to the strong thermal-optic effect of germanium in conjunction with micro-ring resonator, we experimentally demonstrate three different types of nonlinear function (Radial basis, Relu and ELU functions) with a lowest threshold of 0.74 mW among our measured nonlinear functions and they can work well with a repetition rate below 100 kHz. Simultaneous size shrinkage of germanium and resonance constraint inside germanium is proposed to speed up response time. Furthermore, we apply our measured nonlinear activation function to the task of classification of MNIST handwritten digit image dataset and improve the test accuracy from 91.8% to 94.8% with feedforward full-connected neural network containing three hidden layers. It proves that our scheme has potential in the future optical neural network.

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