Les chercheurs ont développé une puce optique facile à utiliser qui peut se configurer pour réaliser diverses fonctions. Le calcul matriciel à valeur réelle positive qu’ils ont réalisé donne à la puce le potentiel d’être utilisée dans des applications nécessitant des réseaux de neurones optiques. Les réseaux de neurones optiques peuvent être utilisés pour diverses tâches gourmandes en données telles que la classification d’images, l’interprétation des gestes et la reconnaissance vocale.
Des circuits intégrés photoniques pouvant être reconfigurés après fabrication pour remplir différentes fonctions ont été développés précédemment. Cependant, ils ont tendance à être difficiles à configurer car l’utilisateur doit comprendre la structure interne et les principes de la puce et ajuster individuellement ses unités de base.
« Notre nouvelle puce peut être traitée comme une boîte noire, ce qui signifie que les utilisateurs n’ont pas besoin de comprendre sa structure interne pour modifier sa fonction », a déclaré Jianji Dong, chef de l’équipe de recherche de l’Université des sciences et technologies de Huazhong en Chine. « Il leur suffit de définir un objectif de formation et, grâce au contrôle informatique, la puce s’auto-configurera pour atteindre la fonctionnalité souhaitée en fonction de l’entrée et de la sortie. »
Dans la revue Matériaux Optiques Express, les chercheurs décrivent leur nouvelle puce, basée sur un réseau de composants optiques basés sur des guides d’ondes appelés interféromètres Mach-Zehnder (MZI) disposés selon un motif quadrilatéral. Les chercheurs ont montré que la puce peut s’auto-configurer pour effectuer le routage optique, la division de l’énergie lumineuse à faible perte et les calculs matriciels utilisés pour créer des réseaux neuronaux.
« Dans le futur, nous prévoyons la réalisation de réseaux de guides d’ondes programmables sur puce à plus grande échelle », a déclaré Dong. « Avec des développements supplémentaires, il pourrait devenir possible d’obtenir des fonctions optiques comparables à celles des réseaux de portes programmables sur site (FPGA), des circuits intégrés électriques qui peuvent être reprogrammés pour exécuter n’importe quelle application souhaitée après leur fabrication. »
Création du réseau MZI programmable
Le réseau quadrilatère MZI sur puce est potentiellement utile pour les applications impliquant des réseaux de neurones optiques, créés à partir de réseaux de nœuds interconnectés. Pour utiliser efficacement un réseau de neurones optiques, le réseau doit être entraîné avec des données connues pour déterminer les poids entre chaque paire de nœuds, une tâche qui implique une multiplication matricielle.
« Les opérations matricielles sur puce ont généralement été mises en œuvre à l’aide de réseaux MZI ou de réseaux de microanneaux à propagation directe », a déclaré Dong. « Inspirés par les FPGA en électronique, nous souhaitions utiliser une structure de réseau topologique MZI permettant une propagation à la fois par anticipation et par rétroaction pour les opérations matricielles. »
La puce qu’ils ont développée peut être reconfigurée en ajustant les tensions des électrodes, ce qui crée divers chemins de propagation de la lumière dans le réseau quadrilatère. Les chercheurs ont intégré un algorithme de descente de gradient pour accélérer le taux de convergence de la fonction de coût, qui évalue la précision du réseau à chaque itération de formation.
Après chaque itération de formation, la puce met à jour les tensions de toutes les électrodes réglables, plutôt que la valeur d’une seule variable, ce qui améliore encore le taux de convergence de la fonction de coût. Ces améliorations contribuent à accélérer le processus de formation.
Réalisation de diverses fonctions
Les chercheurs ont montré que la puce peut être utilisée pour effectuer ce que l’on appelle le calcul de matrice réelle positive, vérifiant pour la première fois la faisabilité de cette opération dans un réseau MZI quadrilatéral. L’erreur entre les résultats d’entraînement de la puce et les matrices cibles était minime.
Ils ont également démontré le routage optique, un cas spécialisé de calcul de matrice réelle positive, avec un taux d’extinction élevé. Le routage optique peut acheminer efficacement les signaux optiques entre les équipements, tels que les processeurs et les unités de mémoire, dans les centres de données. Par rapport à leurs homologues électriques, les approches optiques contribuent à réduire la latence et la consommation d’énergie lors du traitement d’un grand nombre de signaux.
De plus, la puce a été utilisée pour la division de puissance optique à faible perte, qui divise une seule lumière d’entrée en faisceaux ayant une énergie proportionnelle à son port de sortie. L’analyse statistique des résultats de 11 ensembles de tests a montré que la perte d’énergie lors de la division restait inférieure à 1,16 dB. La division de l’énergie optique à faible perte peut être utilisée pour envoyer des signaux à différents composants de la puce, tels que des processeurs et des photodétecteurs. Cela facilite le traitement simultané des signaux d’entrée.
Les chercheurs travaillent actuellement à apporter des améliorations à la puce qui permettraient encore plus de capacités de fonctionnement matriciel. Ils aimeraient également explorer son utilisation pour d’autres applications du calcul matriciel au-delà des réseaux de neurones optiques.
Plus d’information:
Mengyao Zhao et al, Réseau MZI quadrilatéral multifonctionnel auto-configurable sur puce, Matériaux Optiques Express (2023). DOI : 10.1364/OME.499408