[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出了一种基于通用耦合模理论模型的无源微腔全光脉冲神经元。利用侧耦合微腔中的本征非线性兴奋性，该器件表现出兴奋阈值、不应期和级联性等关键神经元行为，实现了无需SOA或激光器等有源器件的集成化、低功耗全光神经网络。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于可扩展神经形态光子学的硬件兼容全光脉冲神经元，基于无源微腔。
• 克服依赖有源器件（如SOA-MZI、调制器）的光神经元在集成与可扩展性方面的局限性。
• 系统研究无源纳米腔中的非线性兴奋性行为，包括硅光子晶体腔。
• 证明无源微腔可在无外部泵浦或有源元件的情况下模拟关键的脉冲神经元动力学。

提出的方法

• 为侧耦合无源微腔构建了通用耦合模理论模型，以描述其非线性动力学行为。
• 利用微腔中的本征克尔非线性实现光学增益与阈值行为。
• 将系统建模为具有反馈的非线性振荡器，在特定泵浦条件下实现自持脉冲。
• 通过模拟外部光输入的响应，验证了兴奋阈值与不应期。
• 通过将多个微腔神经元级联连接，展示了级联性，成功实现光脉冲的传播。
• 通过数值模拟验证了该模型，结果表明可实现脉冲生成、不应期与信号传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 无源微腔是否能在无有源器件参与的情况下，表现出所有关键的脉冲神经元特性——包括阈值化、不应期与级联性？
• RQ2 耦合模理论模型如何解释无源微腔中的非线性兴奋性？
• RQ3 克尔非线性在实现无源腔中全光脉冲行为中起到何种作用？
• RQ4 该系统是否可实现级联，以构成功能性的光神经网络？
• RQ5 侧耦合微腔的设计如何实现可调谐且稳定的脉冲行为？

主要发现

• 无源微腔表现出清晰的兴奋阈值，仅当输入功率超过某一阈值时才会触发脉冲。
• 每个脉冲后观察到约100 ps的不应期，可防止立即再次放电。
• 系统展示了良好的级联性，光脉冲可成功通过多个级联的微腔神经元传播。
• 该模型成功利用通用耦合模框架预测了脉冲生成与动力学行为，适用于多种微腔几何结构。
• 由于无需半导体或激光器等有源元件，实现了高集成度与低功耗。
• 理论框架为基于无源纳米腔设计全光脉冲神经元提供了系统性基础。