Calcul par réservoir sur la plateforme de niobate de lithium sur isolant

Reservoir computing in lithium niobate on insulator platforms

• Auteur / Autrice : Mohab Sameh Mohamed Abdalla
• Direction : Ian O'Connor, Elena Ioana Vatajelu, Fabio Pavanello, Andreas Boes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, micro et nanoélectronique, optique et laser
• Date : Soutenance le 16/12/2024
• Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon en cotutelle avec RMIT University (Melbourne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Lorena Anghel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ian O'Connor, Elena Ioana Vatajelu, Fabio Pavanello, Andreas Boes, Arnan Mitchell
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guy Van der Sande, Damien Querlioz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés photoniques

Niobate de lithium

Mots clés libres

Calcul par réservoir

Ordinateur optique

Informatique neuromorphique

Photonique intégrée

Reservoir computing

Photonic computing

Neuromorphic computing

Integrated photonics

Résumé

Cette étude concerne le calcul par réservoir à retard temporel, en anglais Time-Delay Reservoir Computing (TDRC) dans les plateformes de photonique intégré, en particulier la plateforme Lithium Niobate On Insulator (LNOI). Nous proposons une nouvelle architecture intégrée « tout optique », avec seulement un déphaseur comme paramètre modifiable pouvant atteindre de bonnes performances sur plusieurs tâches de référence de calcul par réservoir. Nous étudions également l'espace de conception de cette architecture et le fonctionnement asynchrone du TDRC, qui s'écarte du cadre plus courant consistant à envisager les ordinateurs TDRC comme des réseaux. En outre, nous suggérons d'exploiter le schéma tout optique pour se passer du masque d'entrée, ce qui permet de contourner la conversion Optique/Electronique/Optique (O/E/O), souvent nécessaire pour appliquer le masque dans les architectures TDRC. Dans des travaux futurs, cela pourra permettre le traitement de signaux entrants en temps réel, éventuellement pour des applications de télécommunication de pointe. Les effets de la lecture électronique de sortie sur cette architecture sont également étudiés. Aussi, nous suggérons d'utiliser la corrélation de Pearson comme une métrique nous permettant de concevoir un réservoir capable de traiter plusieurs tâches en même temps sur le même signal entrant (et éventuellement sur des signaux dans des canaux différents). Les premiers travaux expérimentaux menés à l'université RMIT sont également présentés. Par ces travaux, nous voulons étudier la performance de ces nouvelles architectures TDRC tout en ayant minimisant la complexité du matériel photonique. Pour cela on s’appuiera principalement sur les faibles pertes du LNOI qui permettent l'intégration du guide d'onde de rétroaction, et en utilisant uniquement l'interférence et la conversion d'intensité à la sortie (par le biais d'un photodétecteur) en tant que non-linéarité. Cela constitue une base sur laquelle pourront s’appuyer de futurs travaux étudiant les gains de performance lorsque des non-linéarités supplémentaires sont prises en compte (telles que celles de la plateforme LNOI) et lorsque la complexité globale du système augmente par l'introduction d'un plus grand nombre de paramètres. Ces travaux portent donc sur l'exploration d'une approche informatique non conventionnelle particulière (TDRC), utilisant une technologie particulière (la photonique intégrée), sur une plateforme particulière (LNOI). Ces travaux s'appuient sur l'intérêt croissant pour l'informatique non conventionnelle puisqu'il a été démontré au fil des ans que les ordinateurs numériques ne peuvent plus être une solution unique, en particulier pour les applications émergentes telles que l'intelligence artificielle (IA). Le paysage futur de l'informatique englobera probablement une grande variété de paradigmes informatiques, d'architectures et de hardware, afin de répondre aux besoins d'applications spécialisées croissantes, tout en coexistant avec les ordinateurs numériques qui restent - du moins pour l'instant - mieux adaptés à l'informatique à usage général.

This work concerns time-delay reservoir computing (TDRC) in integrated photonic platforms, specifically the Lithium Niobate on Insulator (LNOI) platform. We propose a novel all-optical integrated architecture, which has only one tunable parameter in the form of a phase-shifter, and which can achieve good performance on several reservoir computing benchmark tasks. We also investigate the design space of this architecture and the asynchronous operation, which represents a departure from the more common framework of envisioning time-delay reservoir computers as networks in the stricter sense. Additionally, we suggest to leverage the all-optical scheme to dispense with the input mask, which allows the bypassing of an O/E/O conversion, often necessary to apply the mask in TDRC architectures. In future work, this can allow the processing of real-time incoming signals, possibly for telecom/edge applications. The effects of the output electronic readout on this architecture are also investigated. Furthermore, it is suggested to use the Pearson correlation as a simple way to design a reservoir which can handle multiple tasks at the same time, on the same incoming signal (and possibly on signals in different channels). Initial experimental work carried out at RMIT University is also reported. The unifying theme of this work is to investigate the performance possibilities with minimum photonic hardware requirements, relying mainly on LNOI’s low losses which enables the integration of the feedback waveguide, and using only interference and subsequent intensity conversion (through a photodetector) as the nonlinearity. This provides a base for future work to compare against in terms of performance gains when additional nonlinearities are considered (such as those of the LNOI platform), and when overall system complexity is increased by means of introducing more tunable parameters. Thus, the scope of this work is about the exploration of one particular unconventional computing approach (reservoir computing), using one particular technology (photonics), on one particular platform (lithium niobate on insulator). This work builds on the increasing interest of exploring unconventional computing, since it has been shown over the years that digital computers can no longer be a `one-size-fits-all', especially for emerging applications like artificial intelligence (AI). The future landscape of computing will likely encompass a rich variety of computing paradigms, architectures, and hardware, to meet the needs of rising specialized applications, and all in coexistence with digital computers which remain --- at least for now --- better suited for general-purpose computing.