Rumo a um alto

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 1260 (2023) Cite este artigo

4892 acessos

1 Citações

4 Altmétrica

Detalhes das métricas

Propomos uma unidade de processamento fotônico para computação analógica de alta densidade usando moduladores de microanel baseados em modulação de intensidade (IM-MRMs). O sinal de saída no comprimento de onda de ressonância fixo é diretamente modulado em intensidade, alterando a razão de extinção (ER) do IM-MRM. Graças à abordagem de intensidade modulada, a unidade de processamento fotônico proposta é menos sensível ao crosstalk entre canais. Os resultados da simulação revelam que o projeto proposto oferece um aumento máximo de 17 vezes na densidade do canal de comprimento de onda em comparação com sua contraparte modulada em comprimento de onda. Portanto, um núcleo tensor fotônico de tamanho 512 \(\times \) 512 pode ser realizado por linhas de fundição atuais. Um simulador de rede neural convolucional (CNN) com precisão de 6 bits é construído para tarefas de reconhecimento de dígitos manuscritos usando o modulador proposto. Os resultados da simulação mostram uma precisão geral de 96,76%, quando o espaçamento do canal de comprimento de onda sofre uma penalidade de potência de 3 dB. Para validar experimentalmente o sistema, 1.000 operações de produto de ponto são realizadas com um sistema assinado de 4 bits em um chip fotônico co-empacotado, onde as entradas/saídas ópticas e elétricas são realizadas usando técnicas de colagem de fios elétricos e fotônicos. O estudo dos resultados da medição mostra um erro quadrático médio (MSE) de 3,09\(\times \)10\(^{-3}\) para cálculos de produto escalar. O IM-MRM proposto, portanto, torna o problema do crosstalk tratável e fornece uma solução para o desenvolvimento de sistemas de processamento de informação óptica em larga escala com múltiplos comprimentos de onda.

Os requisitos computacionais e os gastos com energia aumentaram rapidamente, seja para processar os dados exponencialmente aumentados gerados por redes móveis de ultra-alta velocidade ou para atender à demanda por inteligência artificial acelerada 1. No entanto, os atuais processadores eletrônicos de última geração, que desenvolveram com um progresso surpreendentemente rápido nas últimas décadas, estão se aproximando de seu limite de crescimento sujeito à Lei de Moore. Pode-se prever que, se o progresso continuar ao longo da rota atual, esses requisitos computacionais se tornarão rapidamente proibitivos técnica e economicamente 2. As plataformas fotônicas têm sido consideradas candidatas ideais para o processamento analógico de sinais de comunicação óptica, fornecendo uma estrutura para uma nova classe de informação máquinas de processamento 3. Em comparação com as contrapartes elétricas, os circuitos fotônicos têm suas vantagens predominantes: os sinais ópticos que viajam na velocidade da luz podem ser manipulados pela modulação de transmissão, experimentam menor atenuação e geram menos calor em função da distância 3. Muitas aplicações ópticas específicas os processadores foram explorados para lidar com tarefas matemáticas 4,5 e processamento de sinal 6,7 com desempenho aprimorado em ordens de magnitude.

A fotônica integrada tem atraído muita atenção devido à sua capacidade de gerar, manipular e detectar sinais ópticos em um único chip. Aproveitando circuitos integrados fotônicos (PICs) fabricados usando processos compatíveis com CMOS, pode-se construir sistemas de processamento fotônico miniaturizados com alto rendimento e baixo custo. De acordo com os requisitos da fonte de luz, os sistemas de processamento fotônico podem ser divididos em duas categorias, arquiteturas coerentes e arquiteturas multicomprimento de onda. Para a arquitetura coerente, a luz de entrada coerente é empregada em uma matriz de divisores de feixe e deslocadores de fase para realizar transformações de matriz usando interferência entre diferentes caminhos 3. A malha baseada em interferômetro Mach-Zehnder (MZI) é a rede de processamento fotônico linear dominante com sinais de entrada coerentes. É uma arquitetura bem estudada e madura para multiplicações de matrizes em sistemas computacionais, incluindo aplicações em redes neurais ópticas 8,9, simulações de transporte quântico 10, linhas de atraso ópticas reconfiguráveis ​​11 e decomposição de valor singular 12. No entanto, interconexões ópticas coerentes exibem sensibilidade para a fase óptica, que requer calibração após cada camada de malha MZI 13. Além disso, uma vez que arquiteturas coerentes requerem uma única referência de fase óptica, apenas uma única fonte de laser pode ser empregada. Isso exigia que o laser gerasse alta potência óptica suficiente para todo o sistema. Em contraste com os sistemas coerentes, as arquiteturas de vários comprimentos de onda usam sinais incoerentes gerados por fontes de luz individuais em diferentes comprimentos de onda ou uma única fonte que produz vários comprimentos de onda para transportar e processar a informação. Aproveitando a multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM), cada sinal de entrada é uma potência óptica analógica em um determinado comprimento de onda processado em paralelo por um banco de moduladores.