Permutation matrices form an important computational building block frequently used in various fields including e.g., communications, information security and data processing. Optical implementation of permutation operators with relatively large number of input-output interconnections based on power-efficient, fast, and compact platforms is highly desirable. Here, we present diffractive optical networks engineered through deep learning to all-optically perform permutation operations that can scale to hundreds of thousands of interconnections between an input and an output field-of-view using passive transmissive layers that are individually structured at the wavelength scale. Our findings indicate that the capacity of the diffractive optical network in approximating a given permutation operation increases proportional to the number of diffractive layers and trainable transmission elements in the system. Such deeper diffractive network designs can pose practical challenges in terms of physical alignment and output diffraction efficiency of the system. We addressed these challenges by designing misalignment tolerant diffractive designs that can all-optically perform arbitrarily-selected permutation operations, and experimentally demonstrated, for the first time, a diffractive permutation network that operates at THz part of the spectrum. Diffractive permutation networks might find various applications in e.g., security, image encryption and data processing, along with telecommunications; especially with the carrier frequencies in wireless communications approaching THz-bands, the presented diffractive permutation networks can potentially serve as channel routing and interconnection panels in wireless networks.


翻译:移动矩阵形成一个在各个领域,包括通信、信息安全和数据处理等领域经常使用的重要计算建筑块。光学上采用基于节能、快速和紧凑平台的相对大量输入-输出互连的变异操作器,是非常可取的。在这里,我们展示了通过深入学习为全光性变异操作设计的异异性光学网络,这些网络可以扩大成数十万个输入和输出领域之间的互连,使用在波长尺度上单独结构的被动传输层进行。我们的调查结果显示,在对一个特定变异操作进行接近的流异性光学网络中,对流异性光学操作的兼容性操作能力与系统内异性层和可训练传输元素的数量成比例。这种更深异异性网络设计在实际对齐和产出差异性效率方面构成实际挑战。我们应对了这些挑战,我们设计了可全光性进行任意选择变异性变异性操作的调异性图像设计,实验性光学光学网络在第一个时间展示了对流性变异性网络的可变异性网络,在可变异性变异性网络中,在可变异性变异性图像处理中,可变异性变异性网络中可变异性变异性变异性图像中可变异性网络可变异性变异性变异性运行中可变异性变异性变异性网络可变异性变异性操作,在移动性图像中可变异性网络中可变变异性操作中可变异性网络中可变。

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