Arbitrary control over multimode wave propagation for machine learning

作者
Tatsuhiro Onodera,Benjamin A. Ash,Mandar M. Sohoni,Melissa Bosch,Ryotatsu Yanagimoto,Marc Jankowski,Tianyu Wang,Gennady Shvets,Maxim R. Shcherbakov,Logan G. Wright,Peter L. McMahon
出处
期刊:Nature Physics [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s41567-025-03094-2
摘要

Abstract Controlled multimode wave propagation can enable more space-efficient photonic processors than architectures based on discrete components connected by single-mode waveguides. Instead of defining discrete elements, one can sculpt the continuous substrate of a photonic processor to perform computations through multimode interference in two dimensions. Here we designed and demonstrated a device with a refractive index that can be rapidly reprogrammed across space, allowing arbitrary control of wave propagation. The device, a two-dimensional programmable waveguide, uses parallel electro-optic modulation of the refractive index of a slab waveguide with about 10 4 programmable spatial degrees of freedom. We implemented neural network inference on benchmark tasks with up to 49-dimensional vectors in a single pass, without digital pre-processing or post-processing. Theoretical and numerical analyses further indicated that two-dimensional programmable waveguides may offer not only a constant-factor reduction in device area but also a scaling benefit, with the area required growing as N 1.5 rather than N 2 .

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