MoTe2助力全光神经网络突破！

【研究背景】

随着人工智能技术的快速发展，光子集成器件因其具有高速传输、大规模并行处理和低功耗等固有特性，成为实现快速、有效计算的重要候选技术。光子神经网络（ONNs）作为光子技术的重要应用，正在推动光子计算的发展。与传统的电子计算方法相比，光子集成器件在处理速度和能效方面具有明显优势。然而，现有的光子集成器件在非线性激活函数（NAF）的实现上仍面临一些挑战，如集成度受限、响应速度较慢、功耗较高和激活阈值较高等问题。因此，如何实现低功耗、高响应速度和高集成度的全光学非线性激活函数，成为发展光子神经网络的关键问题。

近日，来自浙江大学谭德志课题组的研究人员在全光学非线性激活函数（NAF）的研究中取得了重要进展。该团队设计并制备了一种基于二维材料（如MoTe2）和光波导（OWG）的集成非线性光学激活器。通过采用光纤激光直接写入技术（FLDW），他们在玻璃基底中成功构建了具有超宽光谱响应的光波导，并利用这些光波导与二维材料的结合实现了低阈值、超快响应的非线性激活器。与传统的非线性光学材料相比，这种基于二维材料和光波导的集成激活器具有显著的优势：它不仅能够实现从可见光到近红外光波段的宽光谱响应，而且激活阈值仅为0.94μW，响应速度高达2.08THz，设备尺寸仅为50μm²。此外，得益于二维材料的非线性效应，集成的激活器还展示了出色的非线性特性。

该团队通过将这一激活器应用于经典的MNIST手写数字识别任务，取得了97.6%的准确率，表明该激活器在光子神经网络中的潜在应用价值。此外，进一步的实验还表明，该激活器能够在更复杂的CIFAR-10图像分类任务中实现94.6%的准确率，展示了其良好的通用性。这些研究结果为发展低功耗、高速、紧凑集成的全光学神经网络提供了重要的技术支持。该研究的成功实现，预示着基于二维材料和光波导的非线性激活器在光子神经网络中具有广泛的应用前景。。

【仪器解读】

本文通过多种表征手段对全光学非线性激活器的性能进行了深入分析，从而揭示了MoTe2光学非线性特性对激活器性能的关键影响。作者首先利用共聚焦拉曼显微镜和X射线衍射（XRD）技术对MoTe2纳米片进行表征，发现了其厚度、晶体结构以及光学特性，这为后续的光学非线性测试提供了重要的基础数据。通过拉曼光谱表征，作者确认了少层MoTe2的有效性以及其2H相结构，这一结构的稳定性为其在光学非线性调制中的应用提供了保障。

针对MoTe2的光学非线性现象，作者通过光学波导平台的设计，结合激光脉冲的强度扫描实验，进一步揭示了其在光波导中表现出的饱和吸收（SA）和递增吸收（RSA）效应。这些表征手段的结合使作者得以全面了解MoTe2在不同光强下的非线性响应特性，从而为光学激活器的设计和优化提供了重要的理论基础。

为进一步探究激活器的超快响应特性和载流子动力学，作者采用了时间分辨的简并泵浦-探针（degenerate pump-probe）和瞬态吸收（TAS）技术进行实验。这些技术能够捕捉到载流子的快速响应过程，精确测量MoTe2的载流子寿命、瞬态吸收效应以及光诱导的光学特性变化。通过这些精密表征，作者观察到MoTe2在激发后产生的瞬态吸收效应和光漂白现象，揭示了其超快载流子动态特性，并进一步验证了MoTe2在光学激活器中的应用潜力。这些实验数据支持了MoTe2的广泛非线性响应特性，证明了它在光学信号处理中的重要性。

此外，本文还通过光波导平台的优化设计，在不同波长（1030 nm、800 nm、1550 nm）下，结合激光脉冲强度扫描，进一步研究了MoTe2的宽带响应特性。通过这些表征，结果显示，MoTe2在宽波段范围内具有优异的非线性特性，尤其在低激光功率下能够显著调节光信号强度。这为作者提供了关于光波导平台和MoTe2材料相结合的非线性调制能力的深入理解，也为后续的全光学非线性激活器设计提供了理论指导。

在进一步的研究中，作者还通过基于MoTe2的光学激活器在处理MNIST和CIFAR-10数据集中的表现，证明了MoTe2材料在实际数据处理中的应用前景。利用全光学激活器的低激活阈值和超快响应速度，作者能够实现高精度的图像识别任务，分类准确率达到了97.6%，并且在更复杂的CIFAR-10数据集上也取得了优异的识别效果。这些结果表明，MoTe2不仅在实验室环境中表现出色，且在实际的图像识别任务中具有巨大的应用潜力。

综上所述，本文通过多种表征手段，如拉曼光谱、XRD、时间分辨泵浦-探针技术和瞬态吸收光谱，深入分析了MoTe2的非线性光学特性，并结合光波导平台的设计优化，成功地制备了一种新型全光学非线性激活器

玻璃中光波导（OWGs）的制备与表征

原文详情：Chen, C., Yang, Z., Wang, T. et al. Ultra-broadband all-optical nonlinear activation function enabled by MoTe2/optical waveguide integrated devices. Nat Commun 15, 9047 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53371-6