The Hybrid Photonic Convolutional Neural Networks Based on SOA and FP-SA

光子学 卷积神经网络 计算机科学 集成光学 光子集成电路 人工神经网络 电子工程 人工智能 光电子学 工程类 物理
作者
Dianzhuang Zheng,Shuiying Xiang,Nianqiang Li,Yahui Zhang,Xingxing Guo,Xiaojun Zhu,Xiangfei Chen,Yuechun Shi,Yue Hao
出处
期刊:Journal of Lightwave Technology [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:42 (24): 8819-8825 被引量:4
标识
DOI:10.1109/jlt.2024.3437420
摘要

Photonic convolutional neural networks (PCNNs) are gaining attention owing to their potential to overcome the von Neumann bottleneck. Here, we propose and demonstrate experimentally and numerically for the first time a hybrid PCNN consisting of semiconductor optical amplifiers (SOAs) as synapses and integrated quantum-well Fabry-Perot lasers with saturable absorbers (FP-SAs) as photonic neurons. In the experiment, both convolutional computations and nonlinear activation functions are performed in the optical domain. The time series is separated into discrete slots, each of which corresponds to a dot product operation within a sliding window between the convolution kernel matrix and the input matrix. The fast time-varying weights property of SOAs is used to dynamically configure the convolution kernels. The FP-SA laser neurons can be activated nonlinearly by input optical signals with multiple wavelengths. In addition, the performance metrics of the network architecture, such as computational efficiency, energy consumption, and throughput, are evaluated. Furthermore, the hybrid PCNN has been effectively utilised to compute image gradient magnitude for edge detection. Besides, we implement the handwritten digit classification task using the hybrid PCNN. The proposed network exhibits robustness in dealing with noisy images. The proposed approach c provide a promising scheme to construct a large-scale integrated hybrid PCNN chip.
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