[Paper] Phase-multiplexed optical computing: 조명 위상 다양성을 이용한 다중 작업 회절 광 프로세서 재구성

Source: arXiv - 2512.06658v1

Overview

새로운 광학‑컴퓨팅 아키텍처는 단일 회절 프로세서가 조명 빛의 위상 패턴만 바꾸는 것으로 수백 개의 서로 다른 선형 변환을 수행하도록 합니다. 각 원하는 연산을 별개의 2‑D “위상 키”에 인코딩함으로써 동일한 하드웨어를 실시간으로 재프로그래밍할 수 있어, 신호 처리 및 머신 비전 작업을 위한 다목적, 저전력 광학 가속기의 길을 열어줍니다.

Key Contributions

• 위상‑다중화 재구성 가능성: 물리적 부품을 교체하지 않고 조명 위상만으로 (T) 개의 서로 다른 복소값 선형 매핑 사이를 전환하는 방법을 제시합니다.
• 컴팩트 단색 설계: 파장‑다중화 시스템과 동일한 기능을 단일 파장 대역에서 구현하여 색수차와 제조 복잡성을 크게 감소시킵니다.
• 확장 가능한 네트워크 규모: (N = 2 \times T \times N_i \times N_o) 개의 최적화된 회절 요소를 갖는 회절 층이 임의의 입력 필드에 대해 (T) 개의 변환 중 어느 것이든 정확히 구현할 수 있음을 보여줍니다.
• 대규모 증명 개념: (T = 512) 개의 서로 다른 복소 변환을 오류 없이 구현할 수 있음을 수치적으로 입증했습니다.
• 파장 다중화 대비 오류 감소: 위상‑다중화가 변환 오류를 낮추어 단일 칩에서 더 큰 규모의 광학 처리를 가능하게 함을 정량화했습니다.

Methodology

1. 네트워크 아키텍처: 단일 평면 회절 광학 소자(DOE)가 입력 개구(픽셀화된 필드 (N_i))와 출력 평면(픽셀화된 필드 (N_o)) 사이에 배치됩니다.
2. 위상 키: 각 목표 변환마다 사전 계산된 2‑D 위상 마스크(“위상 키”)를 공간 광변조기(SLM) 또는 유사 장치에 배치하여 입력 개구를 조명합니다.
3. 공동 최적화: 그래디언트 기반 파동 전파 시뮬레이션을 사용해 DOE의 표면 형상을 모든 (T) 위상 키와 함께 공동 최적화합니다. 특정 키가 표시될 때 DOE가 입력을 디멀티플렉싱하고 해당 선형 매핑을 출력에 재현하도록 합니다.
4. 복소값 선형 매핑: 시스템을 각 작업 (t)에 대해 (H_t \in \mathbb{C}^{N_o \times N_i}) 행렬로 모델링합니다. 훈련 손실은 실제 출력 필드와 원하는 (H_t)·입력 사이의 차이를 모든 작업 및 다양한 무작위 입력에 대해 페널티합니다.
5. 수치 검증: 실제 회절 물리(프레넬 전파, 양자화된 위상 레벨, 잡음)를 포함한 시뮬레이션을 통해 동일한 DOE가 512 작업을 평균 제곱 오차가 (10^{-4}) 이하로 전환할 수 있음을 확인했습니다.

Results & Findings

• 작업 전반에 걸친 높은 충실도: 512 변환 전체에 대한 평균 정규화 평균 제곱 오차(NMSE)가 < 0.001로, 임의의 복소 입력에 대한 거의 완벽한 재구성을 나타냈습니다.
• 위상 키 직교성: 서로 다른 위상 키가 잘 구분된 출력 필드를 생성하여 교차 간섭 없이 효과적인 다중화를 확인했습니다.
• 파장 다중화와 비교: 동일한 작업 수에 대해 위상‑다중화 설계는 NMSE가 3–5배 감소했으며, 이는 색분산과 광대역 회절 설계가 필요 없기 때문입니다.
• 확장성: 필요한 회절 요소 수는 작업 수와 입력/출력 해상도 모두에 대해 선형적으로 증가하여 하드웨어 규모 예측이 용이합니다.

Practical Implications

• 재구성 가능한 광학 가속기: 단일 DOE가 푸리에 변환, 컨볼루션 커널, 행렬‑벡터 곱 등 광학 신경망 및 신호 처리 파이프라인의 핵심 블록을 프로그래머블 선형 연산자로 수행할 수 있습니다.
• 저전력·고처리량 추론: 계산이 빛의 속도로 이루어지고 전자적 오버헤드가 거의 없으므로, 실시간 비디오 분석, 라이다 전처리와 같은 지연 민감 애플리케이션에 유리합니다.
• 단순화된 하드웨어 스택: 단색으로 유지함으로써 다중 레이저 소스, 디크로익 광학, 복잡한 정렬 절차가 필요 없는 파장 분할 방식의 비용을 절감합니다.
• 빠른 프로토타이핑: SLM에서 위상 키를 업데이트하는 것은 사실상 소프트웨어 변경에 불과해, 새로운 알고리즘을 새 회절 소자를 제작하지 않고도 즉시 배포할 수 있습니다.
• 통합 경로: 기존 실리콘 포토닉스 또는 메타표면 플랫폼과 결합해 엣지 디바이스용 컴팩트 온‑칩 구현이 가능합니다.

Limitations & Future Work

• 물리적 구현 과제: 현재 연구는 수치 시뮬레이션에 국한되어 있으며, 실제 제조 공차, SLM 재생률, 위상 양자화 등이 추가 오류를 초래할 수 있습니다.
• 확장성 트레이드오프: 요소 수는 선형적으로 증가하지만, 매우 큰 (T) 또는 고해상도 입력은 실현하기 어려운 미세 회절 패턴이나 큰 개구를 요구할 수 있습니다.
• 동적 범위와 잡음: 시스템은 이상적인 코히런트 조명을 가정하므로, 비코히런트 또는 부분 코히런트 광원은 성능을 저하시킬 수 있습니다.
• 향후 방향: 실험적 검증, 하이브리드 진폭‑위상 키 탐색, 온‑디바이스 보정을 위한 적응 학습, 전자 제어 루프와의 통합을 통한 폐쇄형 광학 컴퓨팅 파이프라인 구축 등이 포함됩니다.

Authors

• Xiao Wang
• Aydogan Ozcan

Paper Information

• arXiv ID: 2512.06658v1
• Categories: physics.optics, cs.NE, physics.app-ph
• Published: December 7, 2025
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