Ordinateur photonique intégré

Integrated photonic computing

• Auteur / Autrice : Pascal Samuel Stark
• Direction : Daniel Brunner, Maxime Jacquot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance le 27/10/2021
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Hervé Maillotte
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Brunner, Maxime Jacquot, Hervé Maillotte, Wim Bogaerts, Guy Van der Sande, Bert Jan Offrein, Laurent Vivien
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Wim Bogaerts, Guy Van der Sande

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique intégrée

Réseaux neuronaux (informatique)

Mots clés libres

Réseaux neuronaux optiques

Circuits photoniques intégrés

Calculateur optique

Accélérateur photonique de convolution

Optical Neural Networks

Photonic Integrated Circuits

Optical Computing

Reservoir Computing

Photonic Convolution Accelerator

Résumé

Chaque année de gigantesques quantités de données informatiques sont générées et le rythme s’accélère inexorablement. La plupart de ces données ne sont pas structurées, ce qui rend le traitement et l'extraction d'informations difficiles. Cela a conduit au renouveau de l'intelligence artificielle (IA), notamment sous la forme de réseaux neuronaux artificiels. La taille de ces réseaux augmentant rapidement, leur implémentation sur processeurs électroniques est devenue peu rentable, autant sur le plan énergétique que celui de la vitesse. L’optique permet de contourner les défauts de l’électronique puisque la lumière possède un parallélisme massif intrinsèque et une grande vitesse de propagation, offrant alors une large bande passante. De plus, l’optique permettrait de considérablement augmenter l'efficacité énergétique des réseaux de neurones, réduisant ainsi l'impact environnemental des IA. Cependant pour en bénéficier il est essentiel de sortir les réseaux neuronaux optiques des applications de niches et d’assurer leurs intégrations dans des systèmes de grande envergure. Au cours des dernières décennies, la photonique intégrée sur silicium s'est imposée comme une technologie d’avenir grâce à des moyens de fabrication économique à grande échelle. Cette technologie est intégrable aux systèmes électroniques avec un surcoût raisonnable, rendant ainsi possible l'adaptation de l'informatique optique à grande échelle, notamment dans les data-center. Nous présentons au long de cette thèse la co-intégration hétérogène du titanate de baryum et de la technologie III-V pour une modulation et une émission de lumière efficace sur une plateforme photonique sur silicium, puis le concept de reservoir computing et une étude numérique approfondie d'un système intégré tout-optique et pour finir un accélérateur de convolution photonique sur silicium.

Massive amounts of data are generated each year, and the growth in volume accelerates quickly. Most of the data is unstructured, rendering processing and information extraction challenging. This led to the revival of artificial intelligence (AI), for example in the form of artificial neural networks. As models have been rapidly growing in size, processing with traditional digital electronic processors became increasingly slow and energy inefficient. Optical computing offers great potential to overcome these bottlenecks, as it inherently provides large bandwidth, massive parallelism and low latency. Furthermore, it might drastically improve energy efficiency, thereby reducing the environmental impact of AI workloads. To break out of niche applications cost-effective scaling and integration with existing systems is critical. Integrated Si photonics has majored as a technology over the last decades and provides the means for economical large-scale fabrication. It can be integrated with electronic systems with reasonable overhead, finally rendering the wide adaption of optical computing in data centers tangible. In this thesis we first present the heterogeneous co-integration of barium titanate and III-V technology for efficient modulation and light emission on a Si photonics platform. We show low loss light coupling between the different functional layers using inverse taper structures. In the second part of the thesis, we propose a concept for an integrated all-optical reservoir computing system and verify its performance in an extensive simulation study. Finally, we demonstrate a Si photonic convolution accelerator based on a finite impulse response filter in two-port lattice form and compare its performance to state-of-the-art electronic systems.