[논문 리뷰] All-Optical Spiking Neuron Based On Passive Micro-Resonator

Jinlong Xiang, Xuhan Guo외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 06.

Neural Networks and Reservoir Computing참고 문헌 34인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 보편적인 결합 모드 이론 모델에 기반한 수동 마이크로 공진기 기반의 새로운 일체형 광학 스파iking 뉴런을 제안한다. 측면에 결합된 마이크로공진기 내부의 고유한 비선형 자극성에 기반하여, 장치는 자극 임계값, 회복 기간, 연쇄 가능성을 포함한 핵심 뉴런 행동을 나타내며, SOA나 레이저와 같은 활성 소자를 사용하지 않고도 통합형 에너지 효율적인 광학 신경망을 실현할 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스케일러블 뉴로모픽 포토닉스를 위한 수동 마이크로공진기를 활용한 하드웨어 호환성 있는 일체형 광학 스파이크 뉴런을 개발하기 위해.
• SOA-MZI, 조절기 등 활성 소자에 의존하는 광학 뉴런의 한계를 극복하여 통합성과 확장성을 향상시키기 위해.
• 실리콘 포토닉 크리스탈 공진기 포함, 수동 나노공진기 내 비선형 자극성 행동을 체계적으로 연구하기 위해.
• 수동 마이크로공진기가 외부 펌프나 활성 요소 없이도 필수적인 스파이크 뉴런 동역학을 모방할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 측면에 결합된 수동 마이크로공진기의 비선형 동역학을 기술하기 위해 보편적인 결합 모드 이론 모델을 개발하였다.
• 마이크로공진기 내 고유의 킬러 비선형성(Kerr nonlinearity)을 활용하여 광학적 이득과 임계값 행동을 생성하였다.
• 피드백이 있는 비선형 진동자로 시스템을 모델링하여 특정 펌프 조건 하에서 자가 지속적 스파이크를 가능하게 하였다.
• 외부 광입력을 시뮬레이션하여 자극 임계값과 회복 기간을 검증하였다.
• 다중 마이크로공진기 뉴런을 연쇄 구조로 연결하여 스파이크 전파를 성공적으로 구현함으로써 연쇄 가능성을 입증하였다.
• 스파이크 생성, 회복성, 신호 전송을 시뮬레이션한 결과를 바탕으로 모델을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수동 마이크로공진기가 활성 소자를 사용하지 않고도 스파이크 뉴런의 핵심 특성인 임계값, 회복성, 연쇄 가능성을 모두 갖출 수 있는가?
• RQ2 결합 모드 이론 모델은 수동 마이크로공진기 내 비선형 자극성을 어떻게 설명하는가?
• RQ3 킬러 비선형성이 수동 공진기에서 일체형 광학 스파이크를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 이러한 시스템은 기능적인 광학 신경망을 구성하기 위해 연쇄적으로 연결될 수 있는가?
• RQ5 측면에 결합된 마이크로공진기의 설계는 조절 가능하고 안정적인 스파이크 행동을 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• 수동 마이크로공진기는 특정 강도 이상의 입력만이 스파이크를 유도하는 명확한 자극 임계값을 나타낸다.
• 각 스파이크 이후 약 100 ps의 회복 기간이 관찰되어 즉각적인 재자극을 방지한다.
• 시스템은 연쇄 가능성을 입증하였으며, 연결된 다수의 마이크로공진기 뉴런을 통해 광학 스파이크가 성공적으로 전파되었다.
• 보편적인 결합 모드 프레임워크를 사용하여 다양한 마이크로공진기 기하구조에 적용 가능한 모델이 스파이크 생성 및 동역학을 성공적으로 예측하였다.
• 반도체나 레이저와 같은 활성 소자가 없기에 고밀도 통합과 저전력 소비가 가능하다.
• 이론적 프레임워크는 수동 나노공진기를 활용한 일체형 광학 스파이크 뉴런 설계를 위한 체계적인 기반을 제공한다.