[論文レビュー] All-Optical Spiking Neuron Based On Passive Micro-Resonator

Jinlong Xiang, Xuhan Guo+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2019

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 34被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、普遍的な結合モード理論モデルに基づく受動的マイクロレゾネータを用いた、新規な全光スパイクニューロンを提案する。サイドカップドルマイクロレゾネータ内の内在的非線形性に起因する励起性を活用することで、このデバイスは、励起閾値、絶対期、およびスパイクの連鎖伝播（カスケーディビリティ）といった、重要なニューロン的挙動を示し、SOA やレーザーなどのアクティブ素子を必要としない、統合的でエネルギー効率の高い光神経ネットワークの実現を可能にする。

ABSTRACT

Neuromorphic photonics that aims to process and store information simultaneously like human brains has emerged as a promising alternative for the next generation intelligent computing systems. The implementation of hardware emulating the basic functionality of neurons and synapses is the fundamental work in this field. However, previously proposed optical neurons implemented with SOA-MZIs, modulators, lasers or phase change materials are all dependent on active devices and quite difficult for integration. Meanwhile, although the nonlinearity in nanocavities has long been of interest, the previous theories are intended for specific situations, e.g., self-pulsation in microrings, and there is still a lack of systematic studies in the excitability behavior of the nanocavities including the silicon photonic crystal cavities. Here, we report for the first time a universal coupled mode theory model for all side-coupled passive microresonators. Attributed to the nonlinear excitability, the passive microresonator can function as a new type of all-optical spiking neuron. We demonstrate the microresonator-based neuron can exhibit the three most important characteristics of spiking neurons: excitability threshold, refractory period and cascadability behavior, paving the way to realize all-optical spiking neural networks.

研究の動機と目的

• スケーラブルな神経形状光工学を実現するため、ハードウェア互換性があり受動的マイクロレゾネータを用いた全光スパイクニューロンの開発を目的とする。
• SOA-MZI や変調器などのアクティブ素子依存型光ニューロンの制限を克服し、統合性とスケーラビリティを向上させる。
• シリコンフォトニクスクリスタルキャビティを含む、受動的ナノキャビティにおける非線形励起性挙動を体系的に研究すること。
• 受動的マイクロレゾネータが外部ポンプやアクティブ素子を必要とせず、基本的なスパイクニューロンのダイナミクスを模倣可能であることを実証すること。

提案手法

• サイドカップドル受動的マイクロレゾネータの非線形ダイナミクスを記述するための普遍的な結合モード理論モデルを構築した。
• マイクロレゾネータに内在するKerr非線形性を活用し、光増幅および閾値特性を生成した。
• フィードバックを有する非線形オシレータとしてシステムをモデル化し、特定のポンプ条件のもとで自己持続的スパイクを発生可能とした。
• 外部光入力を用いたシミュレーションにより、励起閾値および絶対期の確認を行った。
• 複数のマイクロレゾネータニューロンを直列に接続することでカスケーディビリティを実証し、光スパイクの伝播を実現した。
• 数値シミュレーションを用いてモデルの妥当性を検証し、スパイク生成、絶対期、および信号伝送の挙動を再現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 受動的マイクロレゾネータは、SOA やレーザーなどのアクティブ素子を必要とせず、スパイクニューロンのすべての基本的特性（閾値、絶対期、カスケーディビリティ）を示せるか？
• RQ2 結合モード理論モデルは、受動的マイクロレゾネータにおける非線形励起性をどのように説明できるか？
• RQ3 Kerr非線形性は、受動キャビティにおける全光スパイク発生をどのように可能にするか？
• RQ4 このようなシステムは、機能的な光ニューラルネットワークを構築するために連鎖的に接続可能か？
• RQ5 サイドカップドルマイクロレゾネータの設計は、調整可能で安定したスパイク発生をどのように可能にするか？

主な発見

• 受動的マイクロレゾネータは明確な励起閾値を示しており、特定の光強度を超える入力のみがスパイクを発生させる。
• スパイク発生後、約100 psの絶対期が観測され、即時の再発火が防止された。
• カスケーディビリティが実証され、複数の連結されたマイクロレゾネータニューロンを介して、光スパイクが効率的に伝播した。
• 普遍的な結合モードフレームワークを用いたモデルは、さまざまなマイクロレゾネータ幾何形状に適用可能な形で、スパイク生成とダイナミクスを的確に予測できた。
• 半導体やレーザーなどのアクティブ素子が存在しないため、高い集積密度と低消費電力が実現可能である。
• 理論的枠組みは、受動的ナノキャビティを用いた全光スパイクニューロンの設計に体系的かつ基盤的根拠を提供する。