Neue Arbeit beleuchtet nichtlineare Kodierung in diffraktiven optischen Prozessoren auf Basis linearer Materialien

Forscher der UCLA haben eine eingehende Analyse nichtlinearer Informationskodierungsstrategien für diffraktive optische Prozessoren durchgeführt und dabei neue Erkenntnisse über deren Leistung und Nutzen gewonnen. Ihre Studie, veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und Anwendungenverglichen einfacher zu implementierende nichtlineare Kodierungsstrategien, die Phasenkodierung beinhalten, mit der Leistung von auf Datenwiederholung basierenden nichtlinearen Informationskodierungsmethoden und beleuchteten so ihre Vorteile und Einschränkungen bei der optischen Verarbeitung visueller Informationen.

Diffraktive optische Prozessoren, die aus linearen Materialien bestehen, führen Rechenaufgaben durch die Manipulation von Licht mithilfe strukturierter Oberflächen aus. Die nichtlineare Kodierung optischer Informationen kann die Leistung dieser Prozessoren verbessern und ihnen ermöglichen, komplexe Aufgaben wie Bildklassifizierung, quantitative Phasenbildgebung und Verschlüsselung besser zu bewältigen.

Das UCLA-Forschungsteam unter der Leitung von Professor Aydogan Ozcan bewertete verschiedene nichtlineare Kodierungsstrategien anhand verschiedener Datensätze, um ihre statistische Inferenzleistung zu bewerten. Ihre Ergebnisse zeigten, dass die Datenwiederholung innerhalb eines diffraktiven Volumens zwar die Inferenzgenauigkeit verbessert, jedoch die universelle lineare Transformationsfähigkeit diffraktiver optischer Prozessoren beeinträchtigt.

Daher können auf Datenwiederholung basierende diffraktive Blöcke nicht als optische Analoga zu vollständig verbundenen oder Faltungsschichten dienen, die üblicherweise in digitalen neuronalen Netzwerken verwendet werden. Allgemeiner ausgedrückt können auf Datenwiederholung basierende diffraktive Prozessoren als vereinfachtes optisches Analogon des dynamischen Faltungskernelkonzepts betrachtet werden, das in einigen neuronalen Netzwerkarchitekturen verwendet wird. Trotz ihrer unterschiedlichen Merkmale ist die Datenwiederholungsarchitektur innerhalb eines diffraktiven optischen Prozessors immer noch für Inferenzaufgaben effektiv und bietet Vorteile in Bezug auf die Rauschresistenz.

Alternativ bietet die Phasenkodierung von Eingangsinformationen ohne Datenwiederholung eine einfacher zu implementierende nichtlineare Kodierungsstrategie mit statistisch vergleichbarer Inferenzgenauigkeit. Direkt implementiert durch räumliche Lichtmodulatoren oder reine Phasenobjekte ist die Phasenkodierung aufgrund ihrer Einfachheit und Effektivität eine praktische Alternative.

Darüber hinaus benötigen diffraktive Prozessoren ohne Datenwiederholung keine Vorverarbeitung der Eingangsinformationen durch ein digitales System, die für die visuelle Datenwiederholung erforderlich ist. Daher kann die Datenwiederholung zeitaufwändig sein, insbesondere bei rein phasenbasierten Eingangsobjekten, da eine digitale Phasenwiederherstellung und Vorverarbeitung erforderlich ist, bevor die visuelle Datenwiederholung erfolgen kann.

Die Erkenntnisse des Forschungsteams liefern wertvolle Einblicke in die Push-Pull-Beziehung zwischen linearen, materialbasierten diffraktiven optischen Systemen und nichtlinearen Informationskodierungsstrategien. Diese Ergebnisse bergen Potenzial für eine breite Palette von Anwendungen, darunter optische Kommunikation, Überwachung und computergestützte Bildgebung.

Die Fähigkeit, die Inferenzgenauigkeit durch nichtlineare Kodierungsstrategien zu verbessern, kann die Leistung optischer Prozessoren in verschiedenen Bereichen verbessern und so zu fortschrittlicheren und effizienteren Systemen zur visuellen Informationsverarbeitung führen.

Zu den Autoren dieses Artikels gehören Yuhang Li, Jingxi Li und Aydogan Ozcan, alle an der Fakultät für Elektro- und Computertechnik der UCLA tätig. Professor Ozcan ist außerdem stellvertretender Direktor des California NanoSystems Institute (CNSI).