KR20200097369A - 광학 장치 및 이를 포함하는 광신경망 장치 - Google Patents
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Abstract
인공 신경망의 활성화 함수를 광학적으로 구현할 수 있는 광학 장치 및 이를 포함하는 광신경망 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 광학 장치는, 입사광을 제 1 광과 제 2 광으로 분할하는 빔스플리터, 제 1 광을 검출하도록 배치된 이미지 센서, 제 2 광을 투과 또는 차단하도록 구성된 광 셔터, 및 상기 이미지 센서에서 측정된 제 1 광의 세기를 기초로 상기 광 셔터의 동작을 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 광학 장치 및 이를 포함하는 광신경망 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인공 신경망의 활성화 함수(activation function)를 광학적으로 구현할 수 있는 광학 장치 및 상기 광학 장치를 포함하며 인공 신경망을 광학적으로 구현한 광신경망 장치에 관한 것이다.
인공 신경망은 인간의 두뇌와 비슷한 방식으로 정보를 처리하는 기계학습 기법이다. 컴퓨터의 성능이 비약적으로 발전하여 빅데이터를 통한 학습이 가능해지면서 최근 인공 신경망이 큰 성과를 거두고 있다.
인공 신경망은 입력층, 은닉층 및 출력층으로 이루어지며, 각각의 층에는 정보가 처리되는 단위인 다수의 노드가 존재한다. 입력층의 노드들로부터 은닉층의 노드들로 정보가 전달될 때 가중치가 부여되며, 은닉층의 노드들로부터 출력층의 노드들로 정보가 전달될 때에도 가중치가 부여된다. 출력층의 오차를 기초로 다수의 노드들의 가중치들을 조절함으로써 최종적으로 출력층에서의 오차를 최소화하는 방식으로 학습이 이루어진다. 은닉층은 하나만 존재할 수도 있지만 다수의 은닉층이 존재할 수도 있다. 다수의 은닉층을 갖는 인공 신경망을 통상 심층 신경망이라고 부르며, 심층 신경망을 통한 학습을 딥러닝이라고 부른다.
이러한 인공 신경망은 소프트웨어를 통해 구현될 수도 있으며, 또는 전용의 전자회로로 구현될 수도 있다. 소프트웨어로 구현된 인공 신경망은 많은 연산량으로 인해 속도가 느려질 수 있다. 전용의 전자회로로 인공 신경만을 구현하는 경우, 인접한 층들에 있는 노드들을 서로 연결하기 위한 배선이 복잡해질 수 있다.
인공 신경망의 활성화 함수를 광학적으로 구현할 수 있는 광학 장치를 제공한다.
또한, 상기 광학 장치를 포함하여 인공 신경망을 광학적으로 구현한 광신경망 장치를 제공한다.
일 실시예에 따르면, 입사광을 제 1 광과 제 2 광으로 분할하는 빔스플리터; 제 1 광을 검출하도록 배치된 이미지 센서; 제 2 광을 투과 또는 차단하도록 구성된 광 셔터; 및 상기 이미지 센서에서 측정된 제 1 광의 세기를 기초로 상기 광 셔터의 동작을 제어하는 제어기;를 포함하는 광학 장치가 제공된다.
상기 이미지 센서는 상기 빔스플리터의 반사면에 배치되고, 상기 광 셔터는 상기 빔스플리터의 투광면에 배치될 수 있다.
상기 이미지 센서는 2차원 배열된 다수의 광센싱 화소를 포함하며, 상기 광 셔터는 2차원 배열된 다수의 화소를 포함할 수 있다.
상기 이미지 센서의 다수의 광센싱 화소와 상기 광 셔터의 다수의 화소가 일대일로 대응하도록, 상기 이미지 센서의 해상도와 상기 광 셔터의 해상도가 동일할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 이미지 센서의 한 광센싱 화소의 출력이 기준값 미만이면 상기 광센싱 화소에 대응하는 상기 광 셔터의 화소를 턴오프시키고, 상기 이미지 센서의 한 광센싱 화소의 출력이 기준값 이상이면 상기 광센싱 화소에 대응하는 상기 광 셔터의 화소를 턴온시키도록 구성될 수 있다.
상기 제어기는 상기 이미지 센서에 입사하는 제 1 광이 기준값보다 어두우면 상기 광 셔터를 턴오프시켜 제 2 광을 차단하고 상기 이미지 센서에 입사하는 제 1 광이 기준값 이상으로 밝으면 상기 광 셔터를 턴온시켜 제 2 광을 투과시키도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 셔터는 쌍안정 액정을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 입사광을 제 1 광과 제 2 광으로 분할하는 빔스플리터; 참조광을 방출하는 참조광원; 참조광의 위상과 제 1 광의 위상을 비교하는 위상 비교기; 제 2 광을 투과 또는 차단하도록 구성된 광 셔터; 및 상기 위상 비교기의 위상 비교 결과를 기초로 상기 광 셔터의 동작을 제어하는 제어기;를 포함하는 광학 장치가 제공될 수 있다.
상기 참조광원은 상기 입사광의 파장과 동일한 파장을 갖는 가간섭성 광을 방출하는 레이저를 포함할 수 있다.
상기 위상 비교기는 상기 빔스플리터의 반사면에 대향하여 배치되며, 상기 광 셔터는 상기 빔스플리터의 투광면에 대향하여 배치되고, 상기 참조광원은 상기 빔스플리터를 사이에 두고 상기 위상 비교기와 대향하여 배치될 수 있다.
상기 입사광과 상기 참조광은 서로 직교하는 선편광 성분을 가질 수 있다.
상기 위상 비교기는, 참조광과 제 1 광을 결합하여 안내하는 편광 빔결합기; 참조광의 편광 방향에 대해 -45도 기울어진 편광 방향의 빛을 투과시키는 제 1 편광판과 참조광의 편광 방향에 대해 +45도 기울어진 편광 방향의 빛을 투과시키는 제 2 편광판을 포함하는 편광판층; 상기 제 1 편광판을 투과한 빛의 세기를 감지하는 제 1 광센싱 화소와 상기 제 2 편광판을 투과한 빛의 세기를 감지하는 제 2 광센싱 화소를 포함하는 이미지 센서층; 및 상기 제 1 광센싱 화소의 출력과 상기 제 2 광센싱 화소의 출력을 비교하는 비교기를 포함하는 비교층;을 포함할 수 있다.
상기 광 셔터는 2차원 배열된 다수의 화소를 포함할 수 있다.
상기 편광판층은 2차원 배열된 다수의 편광 화소를 포함하고, 각각의 편광 화소는 상기 제 1 편광판과 상기 제 2 편광판을 포함할 수 있다.
상기 비교층은 2차원 배열된 다수의 상기 비교기를 포함할 수 있다.
상기 편광판층의 다수의 편광 화소, 상기 비교층의 다수의 비교기, 및 상기 광 셔터의 다수의 화소가 서로 일대일로 대응하도록, 상기 편광판층의 해상도, 상기 비교층의 해상도, 및 상기 광 셔터의 해상도가 동일할 수 있다.
상기 이미지 센서층은 2차원 배열된 다수의 상기 제 1 광센싱 화소와 다수의 상기 제 2 광센싱 화소를 포함하고, 상기 이미지 센서층의 해상도는 상기 광 셔터의 해상도의 2배일 수 있다.
상기 제어기는, 상기 비교기층의 한 비교기에서 상기 제 2 광센싱 화소의 출력이 상기 제 1 광센싱 화소의 출력보다 크거나 같으면 상기 비교기에 대응하는 상기 광 셔터의 화소를 턴온시키고, 상기 비교기층의 한 비교기에서 상기 제 2 광센싱 화소의 출력이 상기 제 1 광센싱 화소의 출력보다 작으면 상기 비교기에 대응하는 상기 광 셔터의 화소를 턴오프시키도록 구성될 수 있다.
상기 제어기는 참조광과 제 1 광 사이의 위상차가 -90도 내지 +90도의 범위 이내이면 상기 광 셔터를 턴온시켜 제 2 광을 투과시키고, 참조광과 제 1 광 사이의 위상차가 -90도 내지 +90도의 범위를 벗어나면 상기 광 셔터를 턴오프시켜 제 2 광을 차단하도록 구성될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 2차원 평면 상의 위치에 따라 입사광의 위상을 국소적으로 변조하도록 구성된 제 1 위상 변조기를 구비하는 입력층; 2차원 평면 상의 위치에 따라 입사광의 위상을 국소적으로 변조하도록 구성된 제 2 위상 변조기를 구비하는 은닉층; 상기 제 2 위상 변조기에서 방출되는 빛을 그 빛의 세기에 따라 또는 그 빛의 위상에 따라 부분적으로 투과시키거나 차단하는 광학 장치; 및 이미지 센서를 구비하는 출력층;을 포함하는 광신경망 장치가 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광학 장치는, 입사광을 제 1 광과 제 2 광으로 분할하는 빔스플리터; 제 1 광을 검출하도록 2차원 배열된 다수의 광센싱 화소를 구비하는 이미지 센서; 제 2 광을 투과 또는 차단하도록 구성된 2차원 배열된 다수의 화소를 구비하는 광 셔터; 및 상기 이미지 센서에서 측정된 제 1 광의 세기를 기초로 상기 광 셔터의 동작을 제어하는 제어기;를 포함할 수 있다.
상기 제 2 위상 변조기는 2차원 배열된 다수의 화소를 포함할 수 있다.
상기 광학 장치의 이미지 센서의 다수의 광센싱 화소, 상기 광 셔터의 다수의 화소, 및 상기 제 2 위상 변조기의 다수의 화소가 일대일로 대응하도록, 상기 광학 장치의 이미지 센서, 상기 광 셔터, 및 상기 제 2 위상 변조기는 동일한 해상도를 가질 수 있다.
상기 제어기는, 상기 광학 장치의 이미지 센서의 한 광센싱 화소의 출력이 기준값 미만이면 상기 광센싱 화소에 대응하는 상기 광 셔터의 화소를 턴오프시키고, 상기 이미지 센서의 한 광센싱 화소의 출력이 기준값 이상이면 상기 광센싱 화소에 대응하는 상기 광 셔터의 화소를 턴온시키도록 구성될 수 있다.
상기 광 셔터의 한 화소가 턴오프될 때 상기 광 셔터의 화소에 대응하는 상기 제 2 위상 변조기의 화소에서 방출된 빛이 차단되며, 상기 광 셔터의 한 화소가 턴온될 때 상기 광 셔터의 화소에 대응하는 상기 제 2 위상 변조기의 화소에서 방출된 빛이 상기 광 셔터를 투과할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 광학 장치는, 입사광을 제 1 광과 제 2 광으로 분할하는 빔스플리터; 참조광을 방출하는 참조광원; 참조광의 위상과 제 1 광의 위상을 비교하는 위상 비교기; 제 2 광을 투과 또는 차단하도록 구성된 광 셔터; 및 상기 위상 비교기의 위상 비교 결과를 기초로 상기 광 셔터의 동작을 제어하는 제어기;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 위상 비교기는, 참조광과 제 1 광을 결합하여 안내하는 편광 빔결합기; 2차원 배열된 다수의 편광 화소를 포함하는 편광판층; 2차원 배열된 다수의 광센싱 화소를 포함하는 이미지 센서층; 및 2차원 배열된 다수의 비교기를 포함하는 비교층;을 포함할 수 있다.
상기 편광판층의 다수의 편광 화소, 상기 비교층의 다수의 비교기, 상기 광 셔터의 다수의 화소, 및 상기 제 2 위상 변조기의 다수의 화소가 서로 일대일로 대응하도록, 상기 편광판층의 해상도, 상기 비교층의 해상도, 상기 광 셔터, 및 상기 제 2 위상 변조기의 해상도가 동일할 수 있다.
상기 이미지 센서층의 해상도는 상기 제 2 위상 변조기의 해상도의 2배일 수 있다.
상기 제어기는, 상기 비교기층의 한 비교기에서 상기 제 2 광센싱 화소의 출력이 상기 제 1 광센싱 화소의 출력보다 크거나 같으면 상기 비교기에 대응하는 상기 광 셔터의 화소를 턴온시키고, 상기 비교기층의 한 비교기에서 상기 제 2 광센싱 화소의 출력이 상기 제 1 광센싱 화소의 출력보다 작으면 상기 비교기에 대응하는 상기 광 셔터의 화소를 턴오프시키도록 구성될 수 있다.
상기 광 셔터의 한 화소가 턴오프될 때 상기 광 셔터의 화소에 대응하는 상기 제 2 위상 변조기의 화소에서 방출된 빛이 차단되며, 상기 광 셔터의 한 화소가 턴온될 때 상기 광 셔터의 화소에 대응하는 상기 제 2 위상 변조기의 화소에서 방출된 빛이 상기 광 셔터를 투과할 수 있다.
개시된 광신경망 장치에 따르면, 하나의 위상 변조기가 인공 신경망의 하나의 층을 구성하며, 각각의 위상 변조기의 다수의 화소에서 입사광의 위상을 변조하는 방식으로 가중치가 부여된다. 따라서, 프로세서를 통한 연산이 필요하지 않기 때문에 인공 신경망의 속도를 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 하나의 위상 변조기에서 위상 변조된 빛이 다른 위상 변조기에 입사하는 방식으로 정보가 처리되므로, 인접한 층들에 있는 노드들을 서로 연결하기 위한 물리적인 배선이 필요하지 않다. 따라서, 간단한 구조로 인공 신경망을 구현할 수 있다.
또한, 개시된 광학 장치는 광신경망 장치의 2개의 위상 변조기 사이에 개재되어 앞단의 위상 변조기부터 방출된 빛에 활성화 함수를 적용하여 뒷단의 위상 변조기에 전달할 수 있다. 따라서, 광학 장치를 통해 광신경망 장치에 활성화 함수 기능을 제공할 수 있어서, 광신경망 장치의 성능이 향상될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광신경망 장치의 개략적인 구성을 예시적으로 보이는 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 광신경망 장치의 각각의 위상 변조기의 다수의 화소들에 의한 위상 변조를 예시적으로 보인다.
도 3은 활성화 함수 기능을 제공하기 위한 일 실시예에 따른 광학 장치의 구성을 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 4는 도 3에 도시된 광학 장치의 동작 특성을 보이는 그래프이다.
도 5는 활성화 함수 기능을 제공하기 위한 다른 실시예에 따른 광학 장치의 구성을 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 6은 도 5에 도시된 광학 장치의 위상 비교기의 예시적인 구성을 보다 상세히 보인다.
도 7은 위상 변조기에서 방출된 대상광과 참조광의 위상이 일치할 때 결합광의 편광 방향을 예시적으로 보인다.
도 8은 위상 변조기에서 방출된 대상광과 참조광의 위상이 반대일 때 결합광의 편광 방향을 예시적으로 보인다.
도 9는 위상 변조기에서 방출된 대상광과 참조광 사이의 위상차에 따른 2개의 서로 다른 편광판을 각각 투과한 결합광의 세기를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 광신경망 장치의 개략적인 구성을 예시적으로 보이는 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 광신경망 장치의 각각의 위상 변조기의 다수의 화소들에 의한 위상 변조를 예시적으로 보인다.
도 3은 활성화 함수 기능을 제공하기 위한 일 실시예에 따른 광학 장치의 구성을 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 4는 도 3에 도시된 광학 장치의 동작 특성을 보이는 그래프이다.
도 5는 활성화 함수 기능을 제공하기 위한 다른 실시예에 따른 광학 장치의 구성을 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 6은 도 5에 도시된 광학 장치의 위상 비교기의 예시적인 구성을 보다 상세히 보인다.
도 7은 위상 변조기에서 방출된 대상광과 참조광의 위상이 일치할 때 결합광의 편광 방향을 예시적으로 보인다.
도 8은 위상 변조기에서 방출된 대상광과 참조광의 위상이 반대일 때 결합광의 편광 방향을 예시적으로 보인다.
도 9는 위상 변조기에서 방출된 대상광과 참조광 사이의 위상차에 따른 2개의 서로 다른 편광판을 각각 투과한 결합광의 세기를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 광신경망 장치의 개략적인 구성을 예시적으로 보이는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 광학 장치 및 이를 포함하는 광신경망 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광신경망 장치의 개략적인 구성을 예시적으로 보이는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 광신경망 장치(100)는 제 1 위상 변조기(120), 제 2 위상 변조기(130), 광학 장치(150), 및 이미지 센서(140)를 포함할 수 있다. 또한, 광신경망 장치(100)는 가간섭성 광을 제공하는 광원(110)을 더 포함할 수도 있다. 그러나, 광신경망 장치(100)가 반드시 광원(110)과 고정적으로 결합되어야 하는 것은 아니며, 광원(110)과 별개로 광신경망 장치(100)가 제작, 유통, 판매될 수도 있다.
제 1 및 제 2 위상 변조기(120, 130)는 전기적 제어에 의해 입사광의 위상을 능동적으로 변조하도록 구성된 공간 광변조기일 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 위상 변조기(120, 130)는 액정을 이용한 액정 변조기 또는 반도체 기반의 공간 광변조기일 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 위상 변조기(120, 130)는 입사광을 투과하여 변조하는 투과형 공간 광변조기이다. 제 1 및 제 2 위상 변조기(120, 130)는 2차원 배열된 다수의 화소들을 가지며, 각각의 화소는 독립적으로 구동되어 위상을 변조할 수 있다. 따라서, 제 1 및 제 2 위상 변조기(120, 130)는 2차원 평면 상의 위치에 따라 입사광의 위상을 국소적으로 변조할 수 있다.
빛의 진행 방향으로 맨 앞에 배치된 제 1 위상 변조기(120)는 광신경망 장치(100)의 입력층(input layer)으로서 역할을 할 수 있다. 따라서, 광원(110)으로부터 방출된 빛은 제 1 위상 변조기(120)에 가장 먼저 입사한다. 입사광은 제 1 위상 변조기(120)의 모든 화소(P11~P1n)들에 동일한 위상을 갖고 입사할 수 있다. 제 1 위상 변조기(120)는 광원(110)으로부터 입사한 입사광의 위상을 2차원 평면 상의 위치에 따라 다르게 변조할 수 있다.
예를 들어, 도 2는 도 1에 도시된 광신경망 장치(100)의 제 1 위상 변조기(120)의 다수의 화소들에 의한 위상 변조를 예시적으로 보인다. 도 2를 참조하면, 제 1 위상 변조기(120)의 제 1 화소행에 있는 화소들은 좌측으로부터 우측 방향으로 φ00, φ01, φ02, φ03, ...만큼 입사광의 위상을 지연시켜 투과시킬 수 있다. 그리고, 제 1 위상 변조기(120)의 제 2 화소행에 있는 화소들은 좌측으로부터 우측 방향으로 φ10, φ11, φ12, φ13, ...만큼 입사광의 위상을 지연시켜 투과시키고, 제 3 화소행에 있는 화소들은 좌측으로부터 우측 방향으로 φ20, φ21, φ22, φ23, ...만큼 입사광의 위상을 지연시켜 투과시키고, 제 4 화소행에 있는 화소들은 좌측으로부터 우측 방향으로 φ30, φ31, φ32, φ33, ...만큼 입사광의 위상을 지연시켜 투과시킬 수 있다. 각각의 화소에서 위상이 지연되는 정도는 전기적으로 제어될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 제 1 위상 변조기(120)의 각각의 화소는 광신경망 장치(100)의 입력층의 노드로서 역할을 한다. 또한, 각각의 화소에서 위상 지연을 제어하는 것은 광신경망 장치(100)의 각각의 노드에서 가중치를 조절하는 것과 동일한 의미를 갖는다. 다시 말해, 제 1 위상 변조기(120)의 다수의 화소에서 입사광의 위상을 변조하는 방식으로 가중치가 부여된다.
이러한 방식으로 입력층인 제 1 위상 변조기(120)의 화소(P11~P1n)들에 의해 위상 변조된 빛은 제 2 위상 변조기(130)에 입사한다. 제 2 위상 변조기(130)는 광신경망 장치(100)의 은닉층(hidden layer)으로서 역할을 할 수 있다. 도 1에는 은닉층이 단지 하나의 층을 갖는 것으로 도시되었으나, 은닉층의 개수는 필요에 따라 적어도 하나 이상으로 다양하게 선택될 수 있다.
제 1 위상 변조기(120)의 각각의 화소(P11~P1n)로부터 방출된 빛은 제 2 위상 변조기(130)의 모든 화소(P21~P2n)들에 각각 입사할 수 있다. 예를 들어, 제 1 위상 변조기(120)의 제 1-1 화소(P11)로부터 방출된 빛은 제 2 위상 변조기(130)의 모든 화소(P21~P2n)에 입사하고, 제 1 위상 변조기(120)의 제 1-n 화소(P1n)로부터 방출된 빛도 제 2 위상 변조기(130)의 모든 화소(P21~P2n)에 입사할 수 있다. 그리고, 위상이 다른 빛이 서로 간섭하면서 제 2 위상 변조기(130)의 표면 상에서 소정의 간섭 패턴이 형성될 수 있다.
제 2 위상 변조기(130)는 이러한 간섭 패턴을 갖는 입사광의 위상을 국소적으로 변조할 수 있다. 다시 말해, 제 2 위상 변조기(130)의 각각의 화소(P21~P2n)는 제 1 위상 변조기(120)의 화소(P11~P1n)들과 마찬가지로 입사광의 위상을 독립적으로 지연시킬 수 있다. 제 2 위상 변조기(130)에 의한 위상 변조는 제 1 위상 변조기(120)에 의한 위상 변조와 다를 수 있다. 다시 말해, 제 1 위상 변조기(120)와 제 2 위상 변조기(130)는 2차원 평면 상의 위치에 따라 입사광의 위상을 서로 다르게 변조할 수 있다.
제 2 위상 변조기(130)에 의해 위상 변조된 빛은 광학 장치(150)를 통과하여 이미지 센서(140)에 도달한다. 광학 장치(150)는 제 2 위상 변조기(130)의 각각의 화소에서 방출된 빛을 그 빛의 세기에 따라 부분적으로 투과하거나 차단한다. 따라서, 광학 장치(150)는 인공 신경망의 활성화 함수(activation function)의 역할을 할 수 있다. 특히, 광학 장치(150)는 활성화 함수 중에서 ReLu(Rectified Linear Unit) 함수와 유사한 기능을 할 수 있다. 예를 들어, 광학 장치(150)는 제 2 위상 변조기(130)의 어느 한 화소에서 방출된 빛의 세기가 기준값 미만이면 그 화소에서 방출된 빛을 차단하고, 기준값 이상이면 그 화소에서 방출된 빛을 그대로 통과시킬 수 있다. 이 경우, 제 2 위상 변조기(130)에서 방출된 빛에 의해 광학 장치(150)의 표면 상에 형성되는 간섭 패턴 중에서 어두운 부분은 광학 장치(150)에 의해 차단되고, 기준값 이상의 밝은 부분만이 광학 장치(150)를 통과할 수 있다.
광학 장치(150)를 통과한 기준값 이상의 밝은 빛은 이미지 센서(140)에 입사할 수 있다. 제 2 위상 변조기(130)에 의해 위상 변조된 후 광학 장치(150)를 통과한 빛이 이미지 센서(140)의 표면 상에서 다시 서로 간섭하면서 이미지 센서(140)의 표면에는 소정의 간섭 패턴이 형성될 수 있다. 이미지 센서(140)는 2차원 배열된 다수의 광센싱 화소들을 포함하며, 다수의 광센싱 화소들을 이용하여 이러한 간섭 패턴을 검출할 수 있다. 그리고 이미지 센서(140)의 출력을 분석하여 광신경망 장치(100)에 의한 추론(inference) 결과를 확인할 수 있다. 이러한 점에서, 이미지 센서(140)는 광신경망 장치(100)의 출력층(output layer)으로서 역할을 한다고 볼 수 있다. 그리고 이미지 센서(140)의 각각의 화소는 출력층의 각각의 노드가 될 수 있다. 또는, 이미지 센서(140)를 다수의 영역으로 분할하고, 분할된 각각의 영역이 출력층의 하나의 노드의 역할을 할 수도 있다.
상술한 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 위상 변조기(120, 130)가 각각 인공 신경망의 하나의 층을 구성하고, 입사광의 위상을 변조하는 방식으로 가중치를 부여함으로써, 광신경망 장치(100)가 인공 신경망의 역할을 할 수 있다. 따라서, 빛이 단지 제 1 및 제 2 위상 변조기(120, 130)를 지나가는 것만으로 광신경망 장치(100)의 동작이 수행되므로, 프로세서를 통한 연산이 필요하지 않으며 인공 신경망의 속도를 크게 향상시킬 수 있다.
또한 본 실시예에 따르면, 제 1 위상 변조기(120)에서 위상 변조된 빛이 다음의 제 2 위상 변조기(130)에 입사하는 방식으로 정보가 처리되므로, 인접한 층들에 있는 노드들을 서로 연결하기 위한 물리적인 배선이 필요하지 않다. 따라서, 간단한 구조로 인공 신경망을 구현할 수 있다.
또한, 광학 장치(150)는 광신경망 장치(100)의 제 2 위상 변조기(130)와 이미지 센서(140) 사이에 개재되어 제 2 위상 변조기(130)로부터 방출된 빛에 활성화 함수를 적용하여 이미지 센서(140)에 전달할 수 있다. 따라서, 광학 장치(150)를 통해 광신경망 장치(100)에 활성화 함수 기능을 제공할 수 있어서, 광신경망 장치(100)의 성능이 더 향상될 수 있다.
도 3은 활성화 함수 기능을 제공하기 위한 일 실시예에 따른 광학 장치(150)의 구성을 개략적으로 보이는 개념도이다. 도 3을 참조하면, 입사광을 제 1 광(L1)과 제 2 광(L2)으로 분할하는 빔스플리터(151), 제 1 광(L1)을 검출하는 이미지 센서(152), 제 2 광(L2)을 투과 또는 차단하도록 구성된 광 셔터(154), 및 이미지 센서(152)에서 측정된 제 1 광(L1)의 세기를 기초로 광 셔터(154)의 동작을 제어하는 제어기(153)를 포함할 수 있다.
빔스플리터(151)는 입사광의 일부를 반사하고 입사광의 나머지 일부를 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 빔스플리터(151)는 입사광의 약 90% ~ 약 95%를 투과시키고 입사광의 약 5% ~ 약 10%를 반사할 수 있다. 따라서, 입사광 중에서 대부분은 제 2 광(L2)으로서 광 셔터(154)에 입사하고 입사광 중에서 소수만이 제 1 광(L1)으로서 이미지 센서(152)에 입사한다. 도 1의 예에서, 빔스플리터(151)는 제 2 위상 변조기(130)의 출광면에 대향하여 배치될 수 있다.
이미지 센서(152)는 빔스플리터(151)의 반사면에 대향하여 배치될 수 있다. 이미지 센서(152)는 2차원 배열된 다수의 광센싱 화소들을 포함할 수 있다. 제 2 위상 변조기(130)의 각각의 화소에서 방출된 빛의 세기를 각각 측정하기 위하여, 이미지 센서(152)는 제 2 위상 변조기(130)와 동일한 해상도를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 2 위상 변조기(130)가 200×100의 해상도를 갖는다면, 이미지 센서(152)도 200×100의 해상도를 가질 수 있다. 다시 말해, 제 2 위상 변조기(130)의 화소와 이미지 센서(152)의 광센싱 화소는 일대일로 대응할 수 있다. 그러면, 제 2 위상 변조기(130)의 어느 한 화소에서 방출된 빛의 일부는 빔스플리터(151)에 의해 반사되어 그 화소에 대응하는 이미지 센서(152)의 광센싱 화소에 입사할 수 있다. 따라서, 이미지 센서(152)의 각각의 광센싱 화소의 출력을 기초로 제 2 위상 변조기(130)의 각각의 화소에서 방출된 빛의 세기를 검출할 수 있다.
광 셔터(154)는 빔스플리터(151)의 투광면에 대향하여 배치될 수 있다. 또한 도 1의 예에서, 광 셔터(154)는 광신경망 장치(100)의 이미지 센서(140)의 입광면에 대향하여 배치될 수 있다. 또한 광 셔터(154)는 빔스플리터(151)를 사이에 두고 제 2 위상 변조기(130)와 대향하여 배치될 수 있다. 제 2 위상 변조기(130)의 각각의 화소에서 방출된 빛을 개별적으로 투과 또는 차단하기 위하여 광 셔터(154)는 제 2 위상 변조기(130)와 동일한 해상도를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 2 위상 변조기(130)가 200×100의 해상도를 갖는다면, 광 셔터(154)도 200×100의 해상도를 가질 수 있다. 다시 말해, 제 2 위상 변조기(130)의 화소와 광 셔터(154)의 화소는 일대일로 대응할 수 있다. 그러면, 제 2 위상 변조기(130)의 어느 한 화소에서 방출된 빛의 일부는 빔스플리터(151)를 투과하여 그 화소에 대응하는 광 셔터(154)의 화소에 입사할 수 있다. 따라서, 제 2 위상 변조기(130), 이미지 센서(152), 및 광 셔터(154)는 모두 동일한 해상도를 가지며 서로 대응하는 화소들을 갖는다. 이러한 광 셔터(154)의 화소들은, 예를 들어, 쌍안정 액정(Bistable LC)으로 구성될 수 있다.
제어기(153)는 이미지 센서(152)의 각각의 광센싱 화소의 출력을 기초로 광 셔터(154)의 각각의 화소를 제어할 수 있다. 이러한 제어기(153)는 소프트웨어, 전자회로, 또는 전용의 반도체 칩으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기(153)는 이미지 센서(152)의 어느 한 광센싱 화소의 출력이 기준값 미만이면, 그 광센싱 화소에 대응하는 광 셔터(154)의 화소를 턴오프시킨다. 그러면, 그 광센싱 화소에 대응하는 제 2 위상 변조기(130)의 화소에서 방출된 빛이 광 셔터(154)에 의해 차단된다. 또한, 제어기(153)는 이미지 센서(152)의 어느 한 광센싱 화소의 출력이 기준값 이상이면, 그 광센싱 화소에 대응하는 광 셔터(154)의 화소를 턴온시킨다. 그러면, 그 광센싱 화소에 대응하는 제 2 위상 변조기(130)의 화소에서 방출된 빛이 광 셔터(154)를 통과할 수 있다.
상술한 방식으로, 광학 장치(150)는 소프트웨어 또는 전자회로로 구현되는 인공 신경망의 ReLu 함수와 유사한 활성화 함수를 광학적으로 구현할 수 있다. 예를 들어, 도 4는 도 3에 도시된 광학 장치(150)의 동작 특성을 보이는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 광학 장치(150)에 입력되는 빛의 세기가 기준값(ref) 미만이면 광학 장치(150)의 출력은 0이다. 그리고, 광학 장치(150)에 입력되는 빛의 세기가 기준값(ref) 이상이면 광학 장치(150)는 입력된 빛의 세기와 동일한 값을 출력할 수 있다. 다시 말해, 광학 장치(150)는 광학 장치(150)에 입사하는 빛이 기준값보다 어두우면 빛을 차단하고 광학 장치(150)에 입사하는 빛이 기준값 이상으로 밝으면 빛을 투과시킬 수 있다.
도 3에 도시된 광학 장치(150)는 입사광의 세기를 기초로 동작하지만, 입사광의 위상을 기초로 동작하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 5는 활성화 함수 기능을 제공하기 위한 다른 실시예에 따른 광학 장치의 구성을 개략적으로 보이는 개념도이다. 도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 광학 장치(160)는 외부의 위상 변조기로부터 오는 입사광(이하, "대상광"이라 한다)을 투과 및 반사하여 제 1 광(L1)과 제 2 광(L2)으로 분할하는 빔스플리터(161), 참조광을 제공하는 참조광원(165), 참조광의 위상과 제 1 광(L1)의 위상을 비교하는 위상 비교기(162), 제 2 광(L2)을 투과 또는 차단하도록 구성된 광 셔터(164), 및 위상 비교기(162)의 위상 비교 결과를 기초로 광 셔터(164)의 동작을 제어하는 제어기(163)를 포함할 수 있다.
빔스플리터(161)는 입사하는 대상광의 일부를 반사하고 입사광의 나머지 일부를 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 빔스플리터(161)는 입사광의 약 90% ~ 약 95%를 투과시키고 입사광의 약 5% ~ 약 10%를 반사할 수 있다. 따라서, 입사광 중에서 대부분은 제 2 광(L2)으로서 광 셔터(164)에 입사하고 입사광 중에서 소수만이 제 1 광(L1)으로서 위상 비교기(162)에 입사한다. 도 1의 예에서, 빔스플리터(161)는 제 2 위상 변조기(130)의 출광면에 대향하여 배치될 수 있다. 이 경우, 대상광은 제 2 위상 변조기(130)로부터 방출된 광이다.
광 셔터(164)는 빔스플리터(161)의 투광면에 대향하여 배치될 수 있다. 또한 도 1의 예에서, 광 셔터(164)는 광신경망 장치(100)의 이미지 센서(140)의 입광면에 대향하여 배치될 수 있다. 제 2 위상 변조기(130)의 각각의 화소에서 방출된 빛을 개별적으로 투과 또는 차단하기 위하여 광 셔터(164)는 제 2 위상 변조기(130)와 동일한 해상도를 가질 수 있다. 그러면, 제 2 위상 변조기(130)의 어느 한 화소에서 방출된 빛의 일부는 빔스플리터(161)를 투과하여 그 화소에 대응하는 광 셔터(164)의 화소에 입사할 수 있다. 이러한 광 셔터(164)의 화소들은, 예를 들어, 쌍안정 액정(Bistable LC)으로 구성될 수 있다.
참조광원(165)은 대상광의 위상을 결정하기 위한 기준을 제공하는 참조광을 방출한다. 이를 위하여, 참조광원(165)은 위상이 일치된 가간섭성 광을 방출하는 레이저일 수 있다. 또한, 참조광원(165)은 대상광의 파장과 동일한 파장을 갖는 참조광을 방출한다. 참조광원(165)은 예를 들어 빔스플리터(161)를 사이에 두고 위상 비교기(162)와 대향하여 배치될 수 있다. 그러면, 참조광원(165)으로부터 방출된 참조광의 대부분은 빔스플리터(161)를 투과하여 위상 비교기(162)에 입사하며, 일부만이 빔스플리터(161)에 의해 반사된다.
제 2 위상 변조기(130)가 액정 변조기인 경우, 대상광은 소정의 방향으로 선편광되어 있다. 참조광은 대상광의 선편광 성분에 직교하는 선편광 성분을 갖는다. 이를 위하여, 참조광원(165)은 대상광의 선편광 성분에 직교하는 방향으로 선편광된 참조광을 방출하는 편광 레이저일 수 있다. 만약 참조광원(165)이 무편광된 참조광을 방출하는 경우, 참조광원(165)과 빔스플리터(161) 사이에 편광판(166)이 더 배치될 수 있다. 편광판(166)은 대상광의 선편광 성분에 직교하는 선편광 성분을 갖는 참조광만을 투과시킨다. 또한, 참조광원(165)과 빔스플리터(161) 사이에는 참조광을 평행광으로 만들어 주는 콜리메이팅 렌즈(167)가 더 배치될 수 있다. 한편, 제 2 위상 변조기(130)가 액정 변조기가 아닌 경우에는, 빔스플리터(161)의 입광면에 편광판(도시되지 않음)이 더 배치될 수도 있다. 빔스플리터(161)의 입광면에 배치된 편광판은 참조광원(165)과 빔스플리터(161) 사이에 배치된 편광판(166)에 직교하는 편광 특성을 가질 수 있다.
위상 비교기(162)는 빔스플리터(161)의 반사면에 대향하여 배치될 수 있다. 따라서, 빔스플리터(161)를 투과한 참조광과 빔스플리터(161)에 의해 반사된 대상광, 즉 제 1 광(L1)이 위상 비교기(162)에 입사할 수 있다. 위상 비교기(162)는 서로 직교하는 편광 성분을 갖는 대상광의 제 1 광(L1)의 위상과 참조광의 위상을 비교하도록 구성된다. 예를 들어, 도 6은 도 5에 도시된 광학 장치(160)의 위상 비교기(162)의 예시적인 구성을 보다 상세히 보인다.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 위상 비교기(162)는 편광 빔결합기(polarization beam combiner)(168), 편광판층(162a), 이미지 센서층(162b), 및 비교층(162c)을 포함할 수 있다. 편광 빔결합기(168)는 대상광과 참조광을 동일한 광경로를 따라 편광판층(162a)의 각각의 화소로 안내하는 광학 요소로서, 편광 빔결합기(168)를 따라 안내되는 동안 서로 직교하는 편광 성분을 갖는 대상광과 참조광이 결합되어 편광판층(162a)의 각각의 화소에 입사할 수 있다. 예를 들어, 편광 빔결합기(168)는 복굴절 재료로 이루어진 2장의 프리즘을 결합하여 형성될 수 있으며, 그 밖에 다양한 편광 빔결합기가 사용될 수 있다. 대상광과 참조광의 광 경로가 정확히 일치한다면 편광 빔결합기(168)를 사용하지 않을 수도 있다.
편광판층(162a)은 2차원 배열된 다수의 편광 화소들을 포함할 수 있다. 제 2 위상 변조기(130)의 각각의 화소에서 방출된 대상광의 위상을 각각 결정하기 위하여, 편광판층(162a)은 제 2 위상 변조기(130)와 동일한 해상도를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 2 위상 변조기(130)가 200×100의 해상도를 갖는다면, 편광판층(162a)도 200×100의 해상도를 가질 수 있다. 다시 말해, 제 2 위상 변조기(130)의 화소와 편광판층(162a)의 편광 화소는 일대일로 대응할 수 있다.
또한, 편광판층(162a)의 각각의 편광 화소는 제 1 편광판(169a)과 제 2 편광판(169b)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 편광판(169a)은 참조광의 편광 방향에 대해 -45도 기울어진 편광 방향의 빛을 투과시키며, 제 2 편광판(169b)은 참조광의 편광 방향에 대해 +45도 기울어진 편광 방향의 빛을 투과시키도록 구성될 수 있다. 대신에, 제 1 편광판(169a)은 대상광의 편광 방향에 대해 -45도 기울어진 편광 방향의 빛을 투과시키며, 제 2 편광판(169b)은 대상광의 편광 방향에 대해 +45도 기울어진 편광 방향의 빛을 투과시키도록 구성될 수도 있다.
대상광과 참조광이 결합된 결합광의 편광 방향은 대상광의 위상과 참조광의 위상에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 도 7은 제 2 위상 변조기(130)에서 방출된 대상광과 참조광의 위상이 일치할 때 결합광의 편광 방향을 예시적으로 보이고, 도 8은 제 2 위상 변조기(130)에서 방출된 대상광과 참조광의 위상이 반대일 때 결합광의 편광 방향을 예시적으로 보인다. 참조광이 수직 방향의 편광 성분을 갖고 대상광이 수평 방향의 편광 성분을 가지며 12시 방향이 0도라고 가정할 때, 대상광의 위상과 참조광의 위상이 정확히 일치하면, 대상광과 참조광이 결합된 결합광은 도 7에서 "A"로 표시된 바와 같이 +45도 방향이 된다. 또한, 대상광의 위상과 참조광의 위상이 정확히 반대이면, 대상광과 참조광이 결합된 결합광은 도 8에서 "B"로 표시된 바와 같이 -45도 방향이 된다.
따라서, 제 1 편광판(169a)이 참조광의 편광 방향에 대해 -45도 기울어진 편광 방향의 빛을 투과시키고 제 2 편광판(169b)이 참조광의 편광 방향에 대해 +45도 기울어진 편광 방향의 빛을 투과시키는 경우, 대상광의 위상과 참조광의 위상이 정확히 일치하면, 결합광은 제 2 편광판(169b)만을 투과하며 제 1 편광판(169a)은 투과하지 못한다. 또한, 대상광의 위상과 참조광의 위상이 정확히 반대이면, 결합광은 제 1 편광판(169a)만을 투과하며 제 2 편광판(169b)은 투과하지 못한다.
그리고, 참조광과 대상광 사이의 위상차가 0도에서 180도로 변화하는 동안, 제 1 편광판(169a)을 투과한 결합광의 세기는 점차 증가하며, 제 2 편광판(169b)을 투과한 결합광의 세기는 점차 감소한다. 예를 들어, 도 9는 제 2 위상 변조기(130)에서 방출된 대상광과 참조광 사이의 위상차에 따른 2개의 서로 다른 편광판(169a, 169b)을 각각 투과한 결합광의 세기를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 9에서 가로축은 대상광과 참조광 사이의 위상차이며, "C"로 표시된 그래프는 위상차에 따른 제 1 편광판(169a)을 투과한 결합광의 세기 변화를 보이고, "D"로 표시된 그래프는 위상차에 따른 제 2 편광판(169b)을 투과한 결합광의 세기 변화를 보인다. 따라서, 제 1 편광판(169a)을 투과한 결합광의 세기와 제 2 편광판(169b)을 투과한 결합광의 세기를 비교함으로써 참조광과 대상광 사이의 위상차를 결정할 수 있다.
이를 위하여, 이미지 센서층(162b)은 2차원 배열된 다수의 광센싱 화소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서층(162b)의 다수의 광센싱 화소는 제 1 편광판(169a)을 투과한 결합광의 세기를 감지하기 위한 제 1 광센싱 화소(169c)와 제 2 편광판(169b)을 투과한 결합광의 세기를 감지하기 위한 제 2 광센싱 화소(169d)를 포함할 수 있다. 제 1 광센싱 화소(169c)와 제 2 광센싱 화소(169d)는 제 2 위상 변조기(130)의 하나의 화소에 대응할 수 있다. 따라서, 이미지 센서층(162b)의 해상도는 제 2 위상 변조기(130)의 해상도보다 2배 높을 수 있다. 예를 들어, 제 2 위상 변조기(130)가 200×100의 해상도를 갖는다면, 이미지 센서층(162b)은 200×200 또는 400×100의 해상도를 가질 수 있다.
비교층(162c)은 제 1 광센싱 화소(169c)의 출력과 제 2 광센싱 화소(169d)의 출력을 비교하기 위한 다수의 비교기(169e)를 포함할 수 있다. 비교층(162c)은 제 2 위상 변조기(130)의 해상도와 동일한 해상도를 가질 수 있다. 다시 말해, 제 2 위상 변조기(130)의 해상도와 동일한 해상도로 다수의 비교기(169e)들이 2차원 배열될 수 있다. 따라서, 비교층(162c)의 다수의 비교기(169e), 제 2 위상 변조기(130)의 다수의 화소, 편광판층(162a)의 다수의 편광 화소, 및 광 셔터(164)의 다수의 화소는 서로 일대일로 대응할 수 있다. 각각의 비교기(169e)는, 예를 들어, 제 2 광센싱 화소(169d)의 출력과 제 1 광센싱 화소(169c)의 출력에 연결되어 제 2 광센싱 화소(169d)의 출력과 제 1 광센싱 화소(169c)의 출력과의 차이를 계산할 수 있다.
제어기(163)는 비교층(162c)의 각각의 비교기(169e)의 출력을 기초로 광 셔터(164)의 각각의 화소를 제어할 수 있다. 이러한 제어기(163)는 소프트웨어, 전자회로, 또는 전용의 반도체 칩으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제어기(163)는 제 2 광센싱 화소(169d)의 출력이 제 1 광센싱 화소(169c)의 출력보다 크거나 같으면, 예를 들어, 비교기(169e)의 출력이 0 이상이면 그 비교기(169e)에 대응하는 광 셔터(164)의 화소를 턴온시킨다. 그러면, 그 비교기(169e)에 대응하는 제 2 위상 변조기(130)의 화소에서 방출된 빛이 광 셔터(164)를 통과할 수 있다. 또한, 제어기(163)는 제 2 광센싱 화소(169d)의 출력이 제 1 광센싱 화소(169c)의 출력보다 작으면, 예를 들어, 비교기(169e)의 출력이 0 미만이면 그 비교기(169e)에 대응하는 광 셔터(164)의 화소를 턴오프시킨다. 그러면, 그 비교기(169e)에 대응하는 제 2 위상 변조기(130)의 화소에서 방출된 빛이 광 셔터(164)에 의해 차단된다.
이 경우에, 제 2 위상 변조기(130)의 한 화소에서 방출된 대상광과 참조광 사이의 위상차가 -90도 내지 +90도의 범위 이내이면, 제 2 위상 변조기(130)의 화소에서 방출된 빛이 광 셔터(164)를 그대로 통과하게 된다. 그리고, 제 2 위상 변조기(130)의 한 화소에서 방출된 대상광과 참조광 사이의 위상차 -90도 내지 +90도의 범위를 벗어나면, 제 2 위상 변조기(130)의 화소에서 방출된 빛이 광 셔터(164)에 의해 차단된다. 그러나, 이는 단지 하나의 예일 뿐이며, 기준이 되는 위상차의 범위를 다르게 선택할 수도 있다. 예를 들어, 제 2 광센싱 화소(169d)의 출력과 제 1 광센싱 화소(169c)의 출력과의 차이에 대해 제어기(163)에 설정된 기준값이 0이 아닌 다른 값을 가질 수도 있다. 이 경우, 광 셔터(164)의 온/오프 기준이 되는 위상차의 범위도 달라질 수 있다.
도 1에서는 광신경망 장치(100)가 은닉층으로서 단지 하나의 제 2 위상 변조기(130)를 포함하는 것으로 설명하였다. 그러나, 은닉층의 개수는 2개 이상일 수도 있다. 예를 들어, 도 10은 다른 실시예에 따른 광신경망 장치의 개략적인 구성을 예시적으로 보이는 개념도이다. 도 10을 참조하면, 광신경망 장치(200)는 입력층으로서 제 1 위상 변조기(120)를 포함하며, 은닉층으로서 제 2 위상 변조기(130a) 및 제 3 위상 변조기(130b)를 포함할 수 있다. 비록 도시되지는 않았지만, 광신경망 장치(200)는 은닉층으로서 3개 이상의 위상 변조기를 가질 수도 있다. 제 1 내지 제 3 위상 변조기(120, 130a, 130b)는 동일한 해상도를 가질 수도 있지만, 이에 한정되지 않으며, 제 1 내지 제 3 위상 변조기(120, 130a, 130b)의 해상도가 서로 다를 수도 있다. 제 1 내지 제 3 위상 변조기(120, 130a, 130b)의 해상도는 학습하고자 하는 과제에 따라 적절히 선택될 수 있다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 광신경망 장치(200)는 활성화 함수를 제공하기 위한 2개의 광학 장치(150, 160)를 더 포함할 수 있다. 광학 장치(150)는 제 2 위상 변조기(130a)의 출광면에 대향하여 배치되어, 제 2 위상 변조기(130a)의 각각의 화소에서 방출되는 빛을 그 빛의 세기에 따라 부분적으로 투과시키거나 차단할 수 있다. 이 경우, 광학 장치(150)의 이미지 센서(152)의 해상도와 광 셔터(154)의 해상도는 제 2 위상 변조기(130a)의 해상도와 동일할 수 있다.
광학 장치(160)는 제 3 위상 변조기(130b)의 출광면에 대향하여 배치될 수 있다. 광학 장치(160)는 제 3 위상 변조기(130b)의 각각의 화소에서 방출되는 빛을 그 빛의 위상에 따라 부분적으로 투과시키거나 차단할 수 있다. 이 경우, 광학 장치(160)의 비교층(162c)의 해상도와 광 셔터(164)의 해상도는 제 3 위상 변조기(130b)의 해상도와 동일할 수 있으며, 광학 장치(160)의 이미지 센서층(162b)의 해상도는 제 3 위상 변조기(130b)의 해상도보다 2배 높을 수 있다.
도 10에 도시된 예에서, 광학 장치(150, 160)의 종류와 위치는 단순한 예에 불과하며, 필요에 따라 광학 장치(150, 160)를 적절히 선택하여 배치할 수 있다. 예를 들어, 제 2 위상 변조기(130a)와 제 3 위상 변조기(130b)에 대해 모두 광량 기반의 광학 장치(150)를 배치할 수도 있다. 또는, 제 2 위상 변조기(130a)와 제 3 위상 변조기(130b)에 대해 모두 위상 기반의 광학 장치(160)를 배치할 수도 있다. 또는, 제 2 위상 변조기(130a)에 위상 기반의 광학 장치(160)를 배치하고, 제 3 위상 변조기(130b)에 광량 기반의 광학 장치(150)를 배치할 수도 있다.
상술한 광학 장치(150, 160)는 광신경망 장치의 2개의 위상 변조기 사이에 개재되거나 또는 위상 변조기와 이미지 센서 사이에 개재되어 앞단의 위상 변조기부터 방출된 빛에 활성화 함수를 적용하여 뒷단의 위상 변조기 또는 이미지 센서에 전달할 수 있다. 따라서, 광학 장치(150, 160)를 통해 광신경망 장치에 활성화 함수 기능을 제공할 수 있어서, 광신경망 장치의 성능이 더욱 향상될 수 있다.
상술한 광학 장치 및 이를 포함하는 광신경망 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200.....광신경망 장치
110.....광원
120, 130.....위상 변조기 140, 152.....이미지 센서
150, 160.....광학 장치 151, 161.....빔스플리터
153, 163.....제어기 154, 164.....광 셔터
162.....위상 비교기 162a.....편광판층
162b.....이미지 센서층 162c.....비교층
165.....참조광원 166, 169a, 169b.....편광판
167.....콜리메이팅 렌즈 168.....편광 빔결합기
169c, 169d.....광센싱 화소 169e.....비교기
120, 130.....위상 변조기 140, 152.....이미지 센서
150, 160.....광학 장치 151, 161.....빔스플리터
153, 163.....제어기 154, 164.....광 셔터
162.....위상 비교기 162a.....편광판층
162b.....이미지 센서층 162c.....비교층
165.....참조광원 166, 169a, 169b.....편광판
167.....콜리메이팅 렌즈 168.....편광 빔결합기
169c, 169d.....광센싱 화소 169e.....비교기
Claims (30)
- 입사광을 제 1 광과 제 2 광으로 분할하는 빔스플리터;
제 1 광을 검출하도록 배치된 이미지 센서;
제 2 광을 투과 또는 차단하도록 구성된 광 셔터; 및
상기 이미지 센서에서 측정된 제 1 광의 세기를 기초로 상기 광 셔터의 동작을 제어하는 제어기;를 포함하는 광학 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 이미지 센서는 상기 빔스플리터의 반사면에 배치되고, 상기 광 셔터는 상기 빔스플리터의 투광면에 배치되는 광학 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 이미지 센서는 2차원 배열된 다수의 광센싱 화소를 포함하며, 상기 광 셔터는 2차원 배열된 다수의 화소를 포함하는 광학 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 이미지 센서의 다수의 광센싱 화소와 상기 광 셔터의 다수의 화소가 일대일로 대응하도록, 상기 이미지 센서의 해상도와 상기 광 셔터의 해상도가 동일한 광학 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 이미지 센서의 한 광센싱 화소의 출력이 기준값 미만이면 상기 광센싱 화소에 대응하는 상기 광 셔터의 화소를 턴오프시키고, 상기 이미지 센서의 한 광센싱 화소의 출력이 기준값 이상이면 상기 광센싱 화소에 대응하는 상기 광 셔터의 화소를 턴온시키도록 구성되는 광학 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 상기 이미지 센서에 입사하는 제 1 광이 기준값보다 어두우면 상기 광 셔터를 턴오프시켜 제 2 광을 차단하고 상기 이미지 센서에 입사하는 제 1 광이 기준값 이상으로 밝으면 상기 광 셔터를 턴온시켜 제 2 광을 투과시키도록 구성되는 광학 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광 셔터는 쌍안정 액정을 포함하는 광학 장치. - 입사광을 제 1 광과 제 2 광으로 분할하는 빔스플리터;
참조광을 방출하는 참조광원;
참조광의 위상과 제 1 광의 위상을 비교하는 위상 비교기;
제 2 광을 투과 또는 차단하도록 구성된 광 셔터; 및
상기 위상 비교기의 위상 비교 결과를 기초로 상기 광 셔터의 동작을 제어하는 제어기;를 포함하는 광학 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 참조광원은 상기 입사광의 파장과 동일한 파장을 갖는 가간섭성 광을 방출하는 레이저를 포함하는 광학 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 위상 비교기는 상기 빔스플리터의 반사면에 대향하여 배치되며, 상기 광 셔터는 상기 빔스플리터의 투광면에 대향하여 배치되고, 상기 참조광원은 상기 빔스플리터를 사이에 두고 상기 위상 비교기와 대향하여 배치되는 광학 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 입사광과 상기 참조광은 서로 직교하는 선편광 성분을 갖는 광학 장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 위상 비교기는:
참조광과 제 1 광을 결합하여 안내하는 편광 빔결합기;
참조광의 편광 방향에 대해 -45도 기울어진 편광 방향의 빛을 투과시키는 제 1 편광판과 참조광의 편광 방향에 대해 +45도 기울어진 편광 방향의 빛을 투과시키는 제 2 편광판을 포함하는 편광판층;
상기 제 1 편광판을 투과한 빛의 세기를 감지하는 제 1 광센싱 화소와 상기 제 2 편광판을 투과한 빛의 세기를 감지하는 제 2 광센싱 화소를 포함하는 이미지 센서층; 및
상기 제 1 광센싱 화소의 출력과 상기 제 2 광센싱 화소의 출력을 비교하는 비교기를 포함하는 비교층;을 포함하는 광학 장치. - 제 12 항에 있어서,
상기 광 셔터는 2차원 배열된 다수의 화소를 포함하는 광학 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 편광판층은 2차원 배열된 다수의 편광 화소를 포함하고, 각각의 편광 화소는 상기 제 1 편광판과 상기 제 2 편광판을 포함하며,
상기 비교층은 2차원 배열된 다수의 상기 비교기를 포함하며,
상기 편광판층의 다수의 편광 화소, 상기 비교층의 다수의 비교기, 및 상기 광 셔터의 다수의 화소가 서로 일대일로 대응하도록, 상기 편광판층의 해상도, 상기 비교층의 해상도, 및 상기 광 셔터의 해상도가 동일한 광학 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 이미지 센서층은 2차원 배열된 다수의 상기 제 1 광센싱 화소와 다수의 상기 제 2 광센싱 화소를 포함하고, 상기 이미지 센서층의 해상도는 상기 광 셔터의 해상도의 2배인 광학 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 비교기층의 한 비교기에서 상기 제 2 광센싱 화소의 출력이 상기 제 1 광센싱 화소의 출력보다 크거나 같으면 상기 비교기에 대응하는 상기 광 셔터의 화소를 턴온시키고, 상기 비교기층의 한 비교기에서 상기 제 2 광센싱 화소의 출력이 상기 제 1 광센싱 화소의 출력보다 작으면 상기 비교기에 대응하는 상기 광 셔터의 화소를 턴오프시키도록 구성된 광학 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 제어기는 참조광과 제 1 광 사이의 위상차가 -90도 내지 +90도의 범위 이내이면 상기 광 셔터를 턴온시켜 제 2 광을 투과시키고, 참조광과 제 1 광 사이의 위상차가 -90도 내지 +90도의 범위를 벗어나면 상기 광 셔터를 턴오프시켜 제 2 광을 차단하도록 구성된 광학 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 광 셔터는 쌍안정 액정을 포함하는 광학 장치. - 2차원 평면 상의 위치에 따라 입사광의 위상을 국소적으로 변조하도록 구성된 제 1 위상 변조기를 구비하는 입력층;
2차원 평면 상의 위치에 따라 입사광의 위상을 국소적으로 변조하도록 구성된 제 2 위상 변조기를 구비하는 은닉층;
상기 제 2 위상 변조기에서 방출되는 빛을 그 빛의 세기에 따라 또는 그 빛의 위상에 따라 부분적으로 투과시키거나 차단하는 광학 장치; 및
이미지 센서를 구비하는 출력층;을 포함하는 광신경망 장치. - 제 19 항에 있어서,
상기 광학 장치는:
입사광을 제 1 광과 제 2 광으로 분할하는 빔스플리터;
제 1 광을 검출하도록 2차원 배열된 다수의 광센싱 화소를 구비하는 이미지 센서;
제 2 광을 투과 또는 차단하도록 구성된 2차원 배열된 다수의 화소를 구비하는 광 셔터; 및
상기 이미지 센서에서 측정된 제 1 광의 세기를 기초로 상기 광 셔터의 동작을 제어하는 제어기;를 포함하는 광신경망 장치. - 제 20 항에 있어서,
상기 제 2 위상 변조기는 2차원 배열된 다수의 화소를 포함하며,
상기 광학 장치의 이미지 센서의 다수의 광센싱 화소, 상기 광 셔터의 다수의 화소, 및 상기 제 2 위상 변조기의 다수의 화소가 일대일로 대응하도록, 상기 광학 장치의 이미지 센서, 상기 광 셔터, 및 상기 제 2 위상 변조기는 동일한 해상도를 갖는 광신경망 장치. - 제 21 항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 광학 장치의 이미지 센서의 한 광센싱 화소의 출력이 기준값 미만이면 상기 광센싱 화소에 대응하는 상기 광 셔터의 화소를 턴오프시키고, 상기 이미지 센서의 한 광센싱 화소의 출력이 기준값 이상이면 상기 광센싱 화소에 대응하는 상기 광 셔터의 화소를 턴온시키도록 구성되는 광신경망 장치. - 제 22 항에 있어서,
상기 광 셔터의 한 화소가 턴오프될 때 상기 광 셔터의 화소에 대응하는 상기 제 2 위상 변조기의 화소에서 방출된 빛이 차단되며, 상기 광 셔터의 한 화소가 턴온될 때 상기 광 셔터의 화소에 대응하는 상기 제 2 위상 변조기의 화소에서 방출된 빛이 상기 광 셔터를 투과하는 광신경망 장치. - 제 19 항에 있어서,
상기 광학 장치는:
입사광을 제 1 광과 제 2 광으로 분할하는 빔스플리터;
참조광을 방출하는 참조광원;
참조광의 위상과 제 1 광의 위상을 비교하는 위상 비교기;
제 2 광을 투과 또는 차단하도록 구성된 광 셔터; 및
상기 위상 비교기의 위상 비교 결과를 기초로 상기 광 셔터의 동작을 제어하는 제어기;를 포함하는 광신경망 장치. - 제 24 항에 있어서,
상기 위상 비교기는:
참조광과 제 1 광을 결합하여 안내하는 편광 빔결합기;
2차원 배열된 다수의 편광 화소를 포함하는 편광판층;
2차원 배열된 다수의 광센싱 화소를 포함하는 이미지 센서층; 및
2차원 배열된 다수의 비교기를 포함하는 비교층;을 포함하는 광신경망 장치. - 제 25 항에 있어서,
상기 제 2 위상 변조기는 2차원 배열된 다수의 화소를 포함하며,
상기 편광판층의 다수의 편광 화소, 상기 비교층의 다수의 비교기, 상기 광 셔터의 다수의 화소, 및 상기 제 2 위상 변조기의 다수의 화소가 서로 일대일로 대응하도록, 상기 편광판층의 해상도, 상기 비교층의 해상도, 상기 광 셔터, 및 상기 제 2 위상 변조기의 해상도가 동일한 광신경망 장치. - 제 26 항에 있어서,
상기 이미지 센서층의 해상도는 상기 제 2 위상 변조기의 해상도의 2배인 광신경망 장치. - 제 26 항에 있어서,
상기 입사광과 상기 참조광은 서로 직교하는 선편광 성분을 가지며,
상기 편광판층의 각각의 편광 화소는 참조광의 편광 방향에 대해 -45도 기울어진 편광 방향의 빛을 투과시키는 제 1 편광판과 참조광의 편광 방향에 대해 +45도 기울어진 편광 방향의 빛을 투과시키는 제 2 편광판을 포함하고,
상기 이미지 센서층은 상기 제 1 편광판을 투과한 빛의 세기를 감지하는 제 1 광센싱 화소와 상기 제 2 편광판을 투과한 빛의 세기를 감지하는 제 2 광센싱 화소를 포함하고,
각각의 비교기는 상기 제 1 광센싱 화소의 출력과 상기 제 2 광센싱 화소의 출력을 비교하는 광신경망 장치. - 제 28 항에 있어서,
상기 제어기는, 상기 비교기층의 한 비교기에서 상기 제 2 광센싱 화소의 출력이 상기 제 1 광센싱 화소의 출력보다 크거나 같으면 상기 비교기에 대응하는 상기 광 셔터의 화소를 턴온시키고, 상기 비교기층의 한 비교기에서 상기 제 2 광센싱 화소의 출력이 상기 제 1 광센싱 화소의 출력보다 작으면 상기 비교기에 대응하는 상기 광 셔터의 화소를 턴오프시키도록 구성된 광신경망 장치. - 제 29 항에 있어서,
상기 광 셔터의 한 화소가 턴오프될 때 상기 광 셔터의 화소에 대응하는 상기 제 2 위상 변조기의 화소에서 방출된 빛이 차단되며, 상기 광 셔터의 한 화소가 턴온될 때 상기 광 셔터의 화소에 대응하는 상기 제 2 위상 변조기의 화소에서 방출된 빛이 상기 광 셔터를 투과하는 광신경망 장치.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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