Vers un sommet

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 1260 (2023) Citer cet article

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Nous proposons une unité de traitement photonique pour le calcul analogique haute densité utilisant des modulateurs microring basés sur la modulation d'intensité (IM-MRM). Le signal de sortie à la longueur d'onde de résonance fixe est directement modulé en intensité en modifiant le taux d'extinction (ER) de l'IM-MRM. Grâce à l'approche modulée en intensité, l'unité de traitement photonique proposée est moins sensible à la diaphonie inter-canaux. Les résultats de simulation révèlent que la conception proposée offre une densité de canal de longueur d'onde maximale de 17 fois supérieure à celle de son homologue modulé en longueur d'onde. Par conséquent, un noyau tenseur photonique de taille 512 \(\times \) 512 peut être réalisé par les lignes de fonderie actuelles. Un simulateur de réseau neuronal convolutif (CNN) avec une précision de 6 bits est construit pour la tâche de reconnaissance de chiffres manuscrits à l'aide du modulateur proposé. Les résultats de la simulation montrent une précision globale de 96,76 %, lorsque l'espacement des canaux de longueur d'onde subit une pénalité de puissance de 3 dB. Pour valider expérimentalement le système, 1 000 opérations de produits scalaires sont effectuées avec un système signé 4 bits sur une puce photonique co-packagée, où les E/S optiques et électriques sont réalisées à l'aide de techniques de liaison de fils photoniques et électriques. L'étude des résultats de mesure montre une erreur quadratique moyenne (MSE) de 3,09\(\times \)10\(^{-3}\) pour les calculs de produits scalaires. L'IM-MRM proposé rend donc le problème de diaphonie résoluble et fournit une solution pour le développement de systèmes de traitement d'informations optiques à grande échelle avec plusieurs longueurs d'onde.

Les besoins informatiques et les dépenses énergétiques ont rapidement augmenté, soit pour traiter l'augmentation exponentielle des données générées par les réseaux mobiles à très haut débit, soit pour répondre à la demande d'intelligence artificielle accélérée 1. Cependant, les processeurs électroniques de pointe actuels, qui ont développé avec des progrès étonnamment rapides au cours des dernières décennies, approchent de leur limite de croissance soumise à la loi de Moore. On peut prévoir que si les progrès se poursuivent dans la voie actuelle, ces exigences informatiques deviendront rapidement prohibitives sur les plans technique et économique. 2. Les plates-formes photoniques ont été considérées comme des candidates idéales pour le traitement analogique des signaux de communication optiques, fournissant un cadre pour une nouvelle classe d'informations. machines de traitement 3. Par rapport à leurs homologues électriques, les circuits photoniques présentent des avantages prédominants : les signaux optiques se propageant à la vitesse de la lumière peuvent être manipulés par modulation de transmission, subissent une atténuation plus faible et génèrent moins de chaleur en fonction de la distance 3. De nombreuses optiques spécifiques à l'application Les processeurs ont été exploités pour traiter des tâches mathématiques 4,5 et de traitement du signal 6,7 avec des performances améliorées de plusieurs ordres de grandeur.

La photonique intégrée a attiré énormément d'attention en raison de sa capacité à générer, manipuler et détecter des signaux optiques sur une seule puce. En tirant parti des circuits intégrés photoniques (PIC) fabriqués à l’aide de processus compatibles CMOS, il est possible de créer des systèmes de traitement photonique miniaturisés à haut rendement et à faible coût. Selon les exigences de la source lumineuse, les systèmes de traitement photonique peuvent être divisés en deux catégories : les architectures cohérentes et les architectures multi-longueurs d'onde. Pour l'architecture cohérente, la lumière d'entrée cohérente est utilisée dans un réseau de séparateurs de faisceau et de déphaseurs pour effectuer des transformations matricielles en utilisant des interférences entre différents chemins 3. Le maillage basé sur l'interféromètre de Mach-Zehnder (MZI) est le réseau de traitement photonique linéaire dominant avec signaux d’entrée cohérents. Il s'agit d'une architecture bien étudiée et mature pour les multiplications matricielles dans les systèmes informatiques, y compris les applications dans les réseaux neuronaux optiques 8,9, les simulations de transport quantique 10, les lignes à retard optiques reconfigurables 11 et la décomposition en valeurs singulières 12. Cependant, les interconnexions optiques cohérentes présentent une sensibilité à la phase optique, qui nécessite un calibrage après chaque couche de maillage MZI 13. De plus, les architectures cohérentes nécessitant une seule référence de phase optique, une seule source laser peut être utilisée. Cela nécessitait que le laser génère une puissance optique élevée, suffisante pour l'ensemble du système. Contrairement aux systèmes cohérents, les architectures multi-longueurs d'onde utilisent des signaux incohérents générés par des sources lumineuses individuelles à différentes longueurs d'onde ou par une source unique qui produit plusieurs longueurs d'onde pour transporter et traiter les informations. Tirant parti du multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM), chaque signal d'entrée est une puissance optique analogique à une longueur d'onde donnée traitée en parallèle par une banque de modulateurs.