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Development of Photonic In-Sensor Computing Based on a Mid-Infrared Silicon Waveguide Platform

神经形态工程学 响应度 光电探测器 计算机科学 光电子学 波导管 材料科学 图像传感器 炸薯条 光学 人工智能 人工神经网络 物理 电信
作者
Xinmiao Liu,Zixuan Zhang,Jingkai Zhou,Weixin Liu,Guangya Zhou,Chengkuo Lee
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (34): 22938-22948 被引量:38
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c04052
摘要

Neuromorphic in-sensor computing has provided an energy-efficient solution to smart sensor design and on-chip data processing. In recent years, various free-space-configured optoelectronic chips have been demonstrated for on-chip neuromorphic vision processing. However, on-chip waveguide-based in-sensor computing with different data modalities is still lacking. Here, by integrating a responsivity-tunable graphene photodetector onto the silicon waveguide, an on-chip waveguide-based in-sensor processing unit is realized in the mid-infrared wavelength range. The weighting operation is achieved by dynamically tuning the bias of the photodetector, which could reach 4 bit weighting precision. Three different neural network tasks are performed to demonstrate the capabilities of our device. First, image preprocessing is performed for handwritten digits and fashion product classification as a general task. Next, resistive-type glove sensor signals are reversed and applied to the photodetector as an input for gesture recognition. Finally, spectroscopic data processing for binary gas mixture classification is demonstrated by utilizing the broadband performance of the device from 3.65 to 3.8 μm. By extending the wavelength from near-infrared to mid-infrared, our work shows the capability of a waveguide-integrated tunable graphene photodetector as a viable weighting solution for photonic in-sensor computing. Furthermore, such a solution could be used for large-scale neuromorphic in-sensor computing in photonic integrated circuits at the edge.
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