Μελέτη οπτο-ηλεκτρονικού κυκλώματος με μεταβλητή μη-γραμμική συνάρτηση μεταφοράς για φωτονικά νευρωνικά δίκτυα
Creators: name: Δημητριάδης, Βασίλειος Χρήστου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Οπτο-ηλεκτρονικό κύκλωμα
Μη-γραμμική συνάρτηση μεταφοράς
Νευρωνικά δίκτυα
Opto-electronic circuit
Non-linear transfer function
Neural networks

description: Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο τον χαρακτηρισμό μιας οπτό-ηλεκτρονικής συσκευής και την μελέτη της συνάρτησης μεταφοράς της, με τελικό σκοπό την χρήση σε ολοκληρωμένα φωτονικά νευρωνικά δίκτυα (ΦΝΔ) ως μονάδα μη γραμμικής ενεργοποίησης. Οι μη συμβατικές αρχιτεκτονικές υπολογιστών των ΦΝΔ παρουσιάζουν ενδιαφέρον λόγω της ικανότητάς τους να εκτελούν ενεργειακά αποδοτικές γραμμικές λειτουργίες στον οπτικό τομέα με πολύ υψηλή ταχύτητα που δεν είναι εφικτή από τα ηλεκτρονικά. Τα ΦΝΔ συνήθως εμποδίζονται από την έλλειψη κυκλωμάτων και εξαρτημάτων που εμφανίζουν μη γραμμικές συναρτήσεις μεταφοράς. Η συσκευή αποτελείται από την συναρμολόγηση ενός InP μονολιθικού τσιπ που διαθέτει έναν οπτικό ενισχυτή ημιαγωγών (Semiconductor optical amplifier - SOA) και μια φωτοδίοδο uni-travelling-carrier (UTC-PD) που είναι συνδεδεμένη με συγκόλληση σύρματος στην είσοδο ενός ενισχυτή δια-σύνθετης αντίστασης (Transimpedance amplifier - TIA). Καταγράφοντας τις κυματομορφές εξόδου από δύο ακολουθίες παλμών 32 επιπέδων διάρκειας 100ps, εξήχθη η συνάρτηση μεταφοράς του κυκλώματος αποκαλύπτοντας ένα σιγμοειδές σχήμα, επαληθεύοντας την καταλληλότητα του κυκλώματος για ΦΝΔ. Η ανάπτυξη της εργασίας βασίζεται στην παρουσίαση της συσκευής, στον οπτικό, οπτό-ηλεκτρονικό χαρακτηρισμό της και την εξαγωγή της συνάρτησης μεταφοράς για διάφορες κυματομορφές εισόδου. Ειδικότερα στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή των επιμέρους στοιχείων της συσκευής και των ΦΝΔ. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο χαρακτηρισμός της συσκευής, όπου παρέχονται το φάσμα ενισχυμένης αυθόρμητης εκπομπής του SOA, οι οπτό-ηλεκτρονικές μετρήσεις S21 της συσκευής στον χώρο των συχνοτήτων, η συνάρτηση μεταφοράς της συσκευής για ένα σήμα εισόδου PRBS9 NRZ 10 Gb/s και ο χαρακτηρισμός του συνολικού χρόνου ανάκτησης (recovery time) της συσκευής με την βοήθεια ενός παλμικού σήματος στην είσοδο. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η εξαγωγή της μη-γραμμικής συνάρτησης μεταφοράς για το παλμικό σήμα 32 επιπέδων. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρέχονται τα βασικά συμπεράσματα που προκύπτουν από την μελέτη του συστήματος.
description: This thesis aims to characterize an opto-electronic device and study its transfer function, with the ultimate goal of using it in integrated photonic neural networks (PNNs) as a nonlinear activation unit. Non-conventional PNN computer architectures are of interest due to their ability to perform energy-efficient linear operations in the optical domain at very high speed not achievable by electronics. PNNs are usually hampered by the lack of circuits and components that exhibit non-linear transfer functions. The device consists of assembling an InP monolithic chip that has a semiconductor optical amplifier (SOA) and a uni-travelling-carrier photodiode (UTC-PD) wire bonded to the input of a transimpedance amplifier (TIA). By recording the output waveforms from two 32-level 100 ps wide pulse, the transfer function of the circuit was extracted revealing a sigmoidal shape, verifying the suitability of the circuit for PNNs. The development of the work is based on the presentation of the device, its optical, opto-electronic characterization and the derivation of the transfer function for various input waveforms. In particular, in the first chapter there is an introduction of the individual elements of the device and the PNNs. In the second chapter is presented the characterization of the device. The amplified spontaneous emission spectrum of the SOA, the S21 optoelectronic measurements of the device in the frequency domain, the transfer function of the device for a 10 Gb/s PRBS9 NRZ input signal, and the characterization of the total recovery time of the device with the assistance of a pulsed signal. The third chapter presents the methods and the results from the extraction of the non-linear transfer function from a 32-level pulsed signal. In the last chapter, the main conclusions resulting from the study of the system are given.