科學家製作一種矽晶元可以精確地將光學信號分布在微型腦狀網格上

美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員製作了一種矽晶元，可以精確地將光學信號分布在微型腦狀網格上，展示了神經網路的潛在新設計。

人腦擁有數十億個神經元（神經細胞），每個神經元與其他神經元有數千個連接。許多計算研究項目旨在通過創建人工神經網路的電路來模擬大腦。但是傳統的電子設備，包括半導體電路的電線，往往會阻礙有用神經網路所需的極其複雜的布線。

NIST團隊建議使用光而不是電作為信號媒介。神經網路已經在解決複雜問題方面表現出了非凡的力量，包括快速模式識別和數據分析。光的使用將消除由於電荷引起的干擾，並且信號將更快和更遠地傳播。

「光的優勢可以提高神經網路在科學數據分析方面的性能，例如搜索類地行星和量子資訊科學，並加速自動駕駛汽車高度直觀的控制系統的開發，」NIST物理學家Jeff Chiles說。

傳統電腦通過演算法或人工編碼規則處理資訊。相比之下，神經網路依賴於處理元件或神經元之間的連接網路，其可以被訓練以識別某些刺激模式。神經或神經形態電腦將由大型複雜的神經網路系統組成。

NIST晶元在一篇新論文中描述，通過垂直堆疊兩層光子波導克服了對光信號使用的重大挑戰 - 這些結構將光限制在窄線中以便路由光信號，就像電線路由電信號一樣。這種三維（3D）設計實現了複雜的路由方案，這是模擬神經系統所必需的。此外，這種設計可以很容易地擴展到在更複雜的網路需要時包含額外的波導層。

堆疊波導形成具有10個輸入或「上遊」神經元的三維網格，每個神經元連接到10個輸出或「下遊」神經元，總共100個接收器。波導製造在矽晶片上，由氮化矽製成，每個波長為800納米（nm），厚度為400nm。研究人員創建了自動生成信號路由的軟體，神經元之間的連接水準可調。

雷射通過光纖導入晶元。目標是按照選定的光強度或功率分布模式將每個輸入路由到每個輸出組。功率電平表示電路中的連接模式和程度。作者展示了兩種控制輸出強度的方案：均勻（每個輸出接收相同的功率）和「鐘形曲線」分布（其中中間神經元接收最多功率，而外圍神經元接收較少）。

為了評估結果，研究人員製作了輸出信號的影像。所有信號通過顯微鏡透鏡聚焦到半導體感測器上並處理成影像幀。該方法允許以高精度同時分析許多設備。輸出高度均勻，誤差率低，確保了精確的功率分布。

「我們在這裡做了兩件事，」智利說。「我們已經開始使用第三維來實現更多的光學連接，我們開發了一種新的測量技術來快速表徵光子系統中的許多器件。當我們開始擴展到大規模光電神經系統時，這兩項進步都至關重要「。

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