Optoakustische neuronale Netze durch Wechselwirkung von multifrequentem Licht mit akustischen Wellen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Birgit Stiller
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464294062

Komplexe Probleme - sei es Klimadynamik oder wirtschaftliche Prozesse - erfordern heutzutage die Verarbeitung von Big Data und die Nutzung komplexer intelligenter Systeme. Ihre Grundlage sind künstliche neuronale Netze, die trainiert werden können, um relevante Fragen zu lösen. Die Herausforderungen sind die Kapazität der Datenmengen, die sie verarbeiten können, lange Trainingszeiten und ihre Speichergröße. Künstliche neuronale Netze, die auf photonischen Verbindungen basieren, können eine Lösung darstellen, da ein optischer Ansatz eine breite Bandbreite, eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit und Integrierbarkeit in vorhandene elektronische Chips bietet. In der Realität basieren optische neuronale Netze jedoch bisher hauptsächlich auf einem Netzwerk optischer Komponenten wie Koppler und Phasenschieber, bei denen es sich um feste Elemente handelt, die linear wirken und deren Verbindungen nicht neu konfiguriert werden können.In diesem Projekt werden wir optoakustische Interaktionen für die Implementierung eines künstlichen neuronalen Netzwerks verwenden. Die Wechselwirkung von Licht und akustischen Wellen basiert auf einem nichtlinearen optischen Effekt - stimulierter Brillouin-Streuung. Diese optoakustische Wechselwirkung hat Anwendung in der optischen Sensorik, Lasern mit schmaler Linienbreite, Mikrowellenphotonik und nichtlinearer optischer Signalverarbeitung gefunden. Letzteres umfasst das Verzögern und Speichern optischer Informationen in Schallwellen, um Informationsströme zu synchronisieren und Daten durch optische Steuerimpulse zu verarbeiten.In diesem Projekt wollen wir theoretisch und experimentell die Physik mehrfrequenter Licht-Schall-Wechselwirkungen untersuchen. Mit den gewonnenen Erkenntnissen soll ein rekonfigurierbares optoakustisches neuronales Netzwerk in einer einzigen Faser demonstriert werden und ein Proof-of-Principle-Experiment für die optoakustische Mehrfrequenz-Signalverarbeitung zur Implementierung in Kommunikationsnetzwerke gezeigt werden. Das Projekt kann das Design optischer neuronaler Netze beeinflussen, da es eine softwarebasierte Lösung ermöglicht - im Gegensatz zur Festverdrahtung der Architektur. Es hat das Potenzial, maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz in Bezug auf Kapazität und Flexibilität zu steigern und zur Lösung neuer Arten von Problemen beizutragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen