Study of photonic neuromorphic devices based on spiking quantum dot lasers and reconfigurable photonic synapses for signal processing applications
Authors: Σαράντογλου Γεώργιος 
Published: July 2024

Η διδακτορική αυτή διατριβή μελετά φωτονικές συσκευές για τον σχεδιασμό υψίρυθμων και ενεργειακά αποδοτικών νευρομορφικών επεξεργαστών για παλμικά νευρωνικά δίκτυα (spiking neural network, SNN). Κάθε SNN αποτελείται από δύο κύρια στοιχεία που είναι ο παλμικός νευρώνας και οι συνάψεις που παρέχουν τη συνδεσμολογία των νευρώνων. Μεταφέροντας αυτή την τοπολογία στο φωτονικό πεδίο, ημιαγωγικά λέιζερ κβαντικών τελειών (QD) διερευνώνται ως παλμικοί νευρώνες, καθώς έχουν την ίδια δυναμική περιγραφή με τα βιολογικά νευρικά κύτταρα, αλλά παράγουν παλμούς έως και 6 τάξεις μεγέθους πιο γρήγορους. Οι συνάψεις υλοποιούνται με σύμφωνα φωτονικά πλέγματα από ρυθμιζόμενα Mach Zehnder συμβολόμετρα για πολλαπλασιασμό πίνακα-διανύσματος με παθητικά στοιχεία και ταχύτητες που περιορίζονται μόνο από τα διαθέσιμα ηλεκτρονικά στοιχεία ελέγχου (GHz ρυθμοί). Τα λέιζερ QD μελετώνται ως νευρομορφικοί κόμβοι βασισμένοι σε οπτική έγχυση. Η θεωρητική περιγραφή συμπεριλαμβάνει την εκπομπή από δύο στάθμες, που είναι μοναδικό χαρακτηριστικό των λέιζερ QD. Για την εξαγωγή των νευρο-υπολογιστικών ιδιοτήτων τους αξιοποιείται η θεωρία διακλαδώσεων. Οι αριθμητικές προσομοιώσεις φανερώνουν ότι αυτή τη τοπολογία μπορεί να λειτουργήσει ως νευρώνας ολοκληρωτής (IF), αλλά και ως νευρώνας ταλαντωτής (RF), προσφέροντας έτσι υψίρυθμη κωδικοποίηση ρυθμού και επιλογή συχνοτήτων. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των φορέων στην θεμελιώδη (GS) και την πρώτη διεγερμένη στάθμη (ES) παρέχει τη δυνατότητα παραγωγής παλμών από δύο στάθμες, μια σημαντική ιδιότητα δεδομένης πρόσφατης έρευνας που συνδέει την εκπομπή από τη GS με νευρική διέγερση και από την ES με αποδιέγερση. Παρατηρούνται παλμικές ώσεις διάρκειας 130 pico-δευτερολέπτων, που καθιστούν αυτήν την τεχνολογία κατάλληλη για υψίρυθμη επεξεργασία.Εκτός από την τοπολογία οπτικής έγχυσης, πραγματοποιείται επίσης μελέτη συσκευών QD δύο τμημάτων με ένα τμήμα κέρδους και ένα τμήμα απορροφητή. Για την διερεύνηση αξιοποιούνται μηχανισμοί ηλεκτρικής και οπτικής διέγερσης. Σε αντίθεση με τα τυπικά laser δύο σταθμών, η συσκευή αυτή παρέχει ένα επιπλέον σημείο πόλωσης για διεγερσιμότητα, που σχετίζεται με την αλληλεπίδραση μεταξύ των σταθμών GS και ES. Η ανάλυση διακλαδώσεων δείχνει ότι το laser μπορεί να λειτουργήσει σαν IF και RF για διαφορετικά σημεία πόλωσης. Η συνύπαρξη εκπομπής από το GS και το ES σχετίζεται με γρήγορους παλμούς διάρκειας 500 ps. Τέλος, όσον αφορά τις συνάψεις, παρουσιάζεται μια Bayesian περιγραφή ενός σύμφωνου πλέγματος, στο οποίο κάθε σύναψη αντιμετωπίζεται σαν μια τυχαία Gaussian μεταβλητή. Η εκπαίδευση στοχεύει στην βελτιστοποίηση της συνάρτησης πυκνότητας πιθανότητας κάθε σύναψης. Αυτή η μεθοδολογία εξετάζεται για την αριθμητική μελέτη ενός μη ιδανικού και μεγάλης κλίμακας δικτύου, που χρησιμοποιεί θερμο-οπτικούς μετατροπείς φάσης για αναγνώριση εικόνας. Το Bayesian νευρωνικό δίκτυο προσφέρει πληροφορία για την ευστάθεια των φωτονικών συνάψεων. H γνώση αξιοποιείται για την 70% μείωση της κατανάλωσης ενέργειας στα ηλεκτρονικά στοιχεία, την μείωση κατά 30% των ενεργοποιητών και ανοχή στο φαινόμενο θερμικής αλληλεπίδρασης. Επομένως, αυτή η μέθοδος μπορεί να οδηγήσει σε σθεναρά δίκτυα χαμηλής πολυπλοκότητας και χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας για τα φωτονικά συναπτικά πλέγματα νέας γενιάς.