DE102020131012A1 - PHOTONIC NETWORK - Google Patents
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Abstract
Ein photonisches Netzwerk umfasst:eine Vielzahl von parallel zueinander laufenden, optischen Wellenleitern (13), wobei jeder Wellenleiter (13) einen optischen Eingang (15) und einen optischen Ausgang (17) aufweist, und eine Vielzahl von optoelektronischen Lichtquellen (19), insbesondere Laserlichtquellen,vorzugsweise Laserdioden, wobei jeder optische Eingang (15) der Wellenleiter (13) mit einer Lichtquelle (19) zur Einspeisung von Licht in den jeweiligen Wellenleiter (13) gekoppelt ist, und wobei die Wellenleiter (13) und die Lichtquellen (19) in einem Materialsystem monolitisch ausgebildet sind.A photonic network comprises: a multiplicity of optical waveguides (13) running parallel to one another, each waveguide (13) having an optical input (15) and an optical output (17), and a multiplicity of optoelectronic light sources (19), in particular Laser light sources, preferably laser diodes, wherein each optical input (15) of the waveguides (13) is coupled to a light source (19) for feeding light into the respective waveguide (13), and wherein the waveguides (13) and the light sources (19) are formed monolithically in a material system.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein photonisches Netzwerk, insbesondere ein photonisches neuronales Netzwerk.The present invention relates to a photonic network, in particular a photonic neural network.
Künstliche neuronale Netzwerke können als Schlüsselelemente für aktuelle und zukünftige Technologien, wie etwa Maschinenlernen, angesehen werden. Die Herstellung von künstlichen neuronalen Netzwerken mit Standard-IT-Hardware Komponenten ist schwer umzusetzen, und derartige Netzwerke benötigen eine sehr hohe Rechenleistung.Artificial neural networks can be seen as key elements for current and future technologies, such as machine learning. The production of artificial neural networks with standard IT hardware components is difficult to implement, and such networks require very high computing power.
Ein anderer Ansatz sind optische neuronale Netzwerke. Es ist bekannt, Halbleiterlaser mit auf einem Silikonsubstrat erzeugten optischen Wellenleiternetzwerk zu kombinieren, um ein photonisches Netzwerk herzustellen.Another approach is optical neural networks. It is known to combine semiconductor lasers with an optical waveguide network fabricated on a silicon substrate to produce a photonic network.
Der vorliegenden Erfindung liegt als eine Aufgabe zugrunde, ein verbessertes photonisches Netzwerk bereitzustellen, welches insbesondere auch auf einfache Weise herstellbar ist.It is an object of the present invention to provide an improved photonic network which, in particular, can also be produced in a simple manner.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein photonisches Netzwerk mit den Merkmalen von Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildung der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The object is achieved by a photonic network having the features of claim 1. Preferred embodiments and developments of the invention are specified in the dependent claims.
Ein erfindungsgemäßes photonisches Netzwerk, insbesondere photonisches, künstliches neuronales Netzwerk, umfasst eine Vielzahl von parallel zueinander laufenden, optischen Wellenleitern, wobei jeder Wellenleiter einen optischen Eingang und einen optischen Ausgang aufweist, und eine Vielzahl von optoelektronischen Lichtquellen, insbesondere Laserlichtquellen, vorzugsweise Laserdioden, wobei jeder optische Eingang der Wellenleiter mit einer Lichtquelle zur Einspeisung von Licht in den jeweiligen Wellenleiter gekoppelt ist, wobei die Wellenleiter und die Lichtquellen in einem Materialsystem monolitisch ausgebildet sind.A photonic network according to the invention, in particular a photonic, artificial neural network, comprises a multiplicity of optical waveguides running parallel to one another, each waveguide having an optical input and an optical output, and a multiplicity of optoelectronic light sources, in particular laser light sources, preferably laser diodes, each optical input of the waveguide is coupled to a light source for feeding light into the respective waveguide, wherein the waveguide and the light sources are monolithic in a material system.
Bei dem erfindungsgemäßen photonisches Netzwerk sind somit zumindest die Lichtquellen und die Wellenleiter in einem Materialsystem monolitisch integriert. Dadurch kann das photonische Netzwerk auf verhältnismäßig einfache und in sehr kompakter Weise hergestellt werden. Außerdem lässt sich eine hohe Packungsdichte der Elemente des Netzwerks erreichen. Die Wellenleiterstrukturen, die Lichtquellen und gegebenenfalls weitere Elemente lassen sich dabei in hoher Zahl auf einem kleinen Volumen anordnen.In the case of the photonic network according to the invention, at least the light sources and the waveguides are monolithically integrated in a material system. As a result, the photonic network can be produced in a relatively simple and very compact manner. In addition, a high packing density of the elements of the network can be achieved. The waveguide structures, the light sources and possibly other elements can be arranged in large numbers in a small volume.
Bevorzugt ist das Materialsystem der Lichtquellen und der Wellenleiter zumindest im Bereich der lichterzeugenden und lichtleitenden Schichten das gleiche. Das Materialsystem ist bevorzugt ein Indium-Aluminium-Gallium-Arsenid InAlGaAs Materialsystem.The material system of the light sources and the waveguide is preferably the same, at least in the area of the light-generating and light-conducting layers. The material system is preferably an indium aluminum gallium arsenide InAlGaAs material system.
Eine Lichtquelle kann mit einem jeweiligen optischen Eingang eines zugeordneten Wellenleiters derart gekoppelt sein, dass eine oder mehrere lichterzeugende bzw. lichtleitende Schichten der Lichtquelle in der gleichen Ebene liegen wie eine oder mehrere lichtleitende Schichten der Wellenleiter. Eine direkte Einkopplung des Lichts von der Lichtquelle in den zugeordneten Wellenleiter ist dadurch möglich. Außerdem kann sich für die lichtleitenden Schichten der Wellenleiter und der Lichtquellen eine zumindest im Wesentlichen gleiche Bandstruktur mit einer im Wesentlichen gleich großen Bandlücke ergeben. Eine Bandlücke in den Wellenleitern ist dabei bevorzugt leicht vergrößert, wie nachfolgend noch erläutert wird, um eine Absorption des von der Lichtquelle bereitgestellten Lichts, insbesondere in Form von Laserpulsen, zu vermeiden.A light source can be coupled to a respective optical input of an associated waveguide in such a way that one or more light-generating or light-guiding layers of the light source lie in the same plane as one or more light-guiding layers of the waveguide. A direct coupling of the light from the light source into the associated waveguide is possible as a result. In addition, an at least essentially identical band structure with an essentially equally large band gap can result for the light-guiding layers of the waveguides and the light sources. A band gap in the waveguides is preferably slightly enlarged, as will be explained below, in order to avoid absorption of the light provided by the light source, in particular in the form of laser pulses.
In dem Materialsystem können die Wellenleiter wenigstens abschnittsweise als Quantentopf-Wellenleiter ausgebildet sein, wobei jeder Wellenleiter wenigstens einen oder mehrere Quantentöpfe aufweist. Insbesondere können die eine oder die mehreren lichtleitenden Schichten des Wellenleiters so ausgestaltet sein, dass diese einen oder mehrere Quantentöpfe ausbilden. Durch Verwendung von derartigen Wellenleitern kann eine hohe Integrationsdichte erreicht werden.In the material system, the waveguides can be designed at least in sections as quantum well waveguides, with each waveguide having at least one or more quantum wells. In particular, the one or more light-guiding layers of the waveguide can be designed in such a way that they form one or more quantum wells. A high integration density can be achieved by using such waveguides.
Bevorzugt weisen der oder die Quantentöpfe der Quantentopf-Wellenleiter eine Bandlücke auf, die einer Energiedifferenz entspricht, welche größer ist als die Energie der Photonen, die von den Lichtquellen emittiert werden. Die Bandlücke bezieht sich auf den energetischen Abstand zwischen Leitungs- und Valenzband in dem jeweiligen Quantentopf. Da die Bandlücke größer ist als die Energie der Photonen aus der Lichtquelle, kann eine Absorption der Photonen in den Wellenleitern vermieden oder zumindest reduziert werden.Preferably, the quantum well(s) of the quantum well waveguides have a bandgap that corresponds to an energy difference that is greater than the energy of the photons emitted by the light sources. The band gap refers to the energetic distance between the conduction and valence bands in the respective quantum well. Since the band gap is larger than the energy of the photons from the light source, absorption of the photons in the waveguides can be avoided or at least reduced.
Es kann vorgesehen sein, insbesondere zur Erzeugung einer derartigen Bandlücke, dass der Quantentopf oder die Quantentöpfe der Quantentopf-Wellenleiter mittels eines Quantentopf-Vermischungsverfahrens hergestellt ist bzw. sind. Ein derartiges, an sich bekanntes Verfahren wird auch Quantum Well Intermixing genannt. Quantum Well Intermixing ist eine Technik, die angewendet werden kann, um die Bandlücke einer Quantenstruktur zu modifizieren. Der modifizierte quantisierte Energiezustand führt meistens zu einer Blauverschiebung der Bandlücke und daher zu einer Vergrößerung der Bandlücke.It can be provided, in particular to generate such a band gap, that the quantum well or the quantum wells of the quantum well waveguide is or are produced by means of a quantum well mixing method. Such a method, which is known per se, is also called quantum well intermixing. Quantum well intermixing is a technique that can be used to modify the band gap of a quantum structure. The modified quantized energy state mostly leads to a blue shift of the band gap and therefore to a widening of the band gap.
In dem Materialsystem können die Wellenleiter einen höheren optischen Brechungsindex aufweisen als an die Wellenleiter angrenzende Bereiche des Materialsystems. Lichtleitung längs der Wellenleiter basierend auf dem Effekt der Totalreflektion kann dadurch erreicht werden.In the material system, the waveguides can have a higher optical refractive index than regions of the material system adjoining the waveguides. Light guiding along the waveguides based on the effect of total internal reflection can thereby be achieved.
Der Unterschied zwischen den optischen Brechungsindices des Wellenleiters und der angrenzenden Bereiche kann im Hundertstel- oder Tausendstel-Bereich liegen. Ein Brechungsindexunterschied in der Größenordnung von einigen Tausendstel kann bereits ausreichen. Zum Beispiel beträgt in einem Materialsystem aus InAlGaAs der optische Brechungsindex etwa 3,5. Für einen Wellenleiter mit einem Brechungsindex von 3,501 ergibt sich ein Grenzwinkel der Totalreflexion aus arcsin(3,5/3,501) = 88,6°. Dies bedeutet, dass Krümmungen mit einem Radius von 6 µm für den Wellenleiter möglich wären.The difference between the optical refractive indices of the waveguide and the adjacent regions can be in the hundredth or thousandth range. A refractive index difference of the order of a few thousandths can already be sufficient. For example, in an InAlGaAs material system, the optical index of refraction is about 3.5. For a waveguide with a refractive index of 3.501, the critical angle of total reflection is arcsin(3.5/3.501) = 88.6°. This means that bends with a radius of 6 µm would be possible for the waveguide.
In dem Materialsystem können die Wellenleiter wenigstens abschnittsweise druck- oder zugverspannt sind. Hierdurch kann in den Wellenleitern der Brechungsindex, insbesondere im Tausendstel-Bereich, erhöht werden.In the material system, the waveguides can be compressed or tensioned at least in sections. As a result, the refractive index in the waveguides can be increased, in particular in the thousandths range.
Zwischen jeweils benachbarten Wellenleitern kann wenigstens ein Mikroring-Resonator in dem Materialsystem ausgebildet sein. Dadurch kann eine Kopplung zwischen den Wellenleitern bewerkstelligt werden.At least one microring resonator can be formed in the material system between respectively adjacent waveguides. Thereby a coupling between the waveguides can be accomplished.
Mikroring-Resonatoren sind an sich bekannt. Es wird auf die wissenschaftliche Veröffentlichung verwiesen von TAIT et al.:„Microring Weight Banks“, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 22, No. 6, November/December 2016, 5900214.Microring resonators are known per se. Reference is made to the scientific publication by TAIT et al.: "Microring Weight Banks", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 22, No. 6, Nov/Dec 2016, 5900214.
Der Mikroring-Resonator kann ein Steuerelement aufweisen, das zur Steuerung der Auskopplung von Licht aus einem Wellenleiter und zur Einkopplung des Lichts in den benachbarten Wellenleiter vorgesehen ist. Das Steuerelement kann zwischen zwei Zuständen schaltbar, insbesondere elektrisch schaltbar, sein, wobei in einem ersten Zustand Licht aus einem Wellenleiter in den Mikroring-Resonator eingekoppelt wird und weiter von dem Mikroring-Resonator in den benachbarten Wellenleiter ausgekoppelt wird.The microring resonator can have a control element which is provided for controlling the coupling out of light from one waveguide and for coupling the light into the adjacent waveguide. The control element can be switched between two states, in particular electrically switchable, wherein in a first state light is coupled from a waveguide into the microring resonator and is further coupled out from the microring resonator into the adjacent waveguide.
In zumindest einer Ausgestaltung der Erfindung kann mittels des Steuerelements der optische Brechungsindex des Mikroring-Resonators einstellbar sein. Der Mikroring-Resonator kann dadurch in Resonanz mit den Wellenleitern gebracht werden, um eine effektive Kopplung zwischen den Wellenleitern zu erreichen.In at least one configuration of the invention, the optical refractive index of the microring resonator can be adjustable by means of the control element. The microring resonator can thereby be brought into resonance with the waveguides to achieve effective coupling between the waveguides.
In zumindest einer Ausgestaltung der Erfindung kann wenigstens einer und bevorzugt alle Wellenleiter wenigstens ein Gewichtungselement aufweisen. Über das Gewichtungselement kann die Wichtigkeit eines Wellenleiters in dem Netzwerk eingestellt werden.In at least one configuration of the invention, at least one and preferably all waveguides can have at least one weighting element. The importance of a waveguide in the network can be set via the weighting element.
Ein jeweiliger Wellenleiter kann im Bereich eines Gewichtungselements keine vermischten Quantentöpfe aufweisen. Die Bandlücke im Bereich eines Gewichtungselements kann somit insbesondere der Energie der von der Lichtquelle bereitgestellten Photonen entsprechen. In einem Zustand des Gewichtungselements können daher Photonen aus der Lichtquelle absorbiert werden.A respective waveguide cannot have any mixed quantum wells in the area of a weighting element. The band gap in the area of a weighting element can thus correspond in particular to the energy of the photons provided by the light source. Therefore, in a state of the weighting element, photons from the light source can be absorbed.
Ein jeweiliges Gewichtungselement kann in einen Zustand bringbar sein, in welchem Populationsinversion auftritt. Das Gewichtungselement ist dann transparent für das ankommende Licht.A respective weighting element can be brought into a state in which population inversion occurs. The weighting element is then transparent to the incoming light.
Insbesondere kann ein jeweiliges Gewichtungselement kontinuierlich zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand schaltbar sein, beispielsweise mittels eines elektrischen Signals, wie etwa ein Spannungssignal, das zwischen 0 Volt und 1 Volt variiert werden kann. Im ersten Zustand absorbiert das Gewichtungselement einfallendes Licht vollständig, während es im zweiten Zustand für einfallendes Licht transparent ist. In Zwischenzuständen zwischen dem ersten und zweiten Zustand erfolgt eine Teilabsorption, wobei der Grad der Absorption steigt, je näher der eingestellte Zwischenzustand am ersten Zustand ist.In particular, a respective weighting element can be continuously switchable between a first state and a second state, for example by means of an electrical signal, such as a voltage signal, which can be varied between 0 volt and 1 volt. In the first state, the weighting element completely absorbs incident light, while in the second state it is transparent to incident light. Partial absorption takes place in intermediate states between the first and second state, with the degree of absorption increasing the closer the set intermediate state is to the first state.
Wenigstens einer und bevorzugt alle Wellenleiter können wenigstens ein pulsierendes Element aufweisen. Derartige Elemente werden in einem künstlichen neuronalen Netzwerk auch als „spiking neuron“ oder „firing neutron“ bezeichnet.At least one and preferably all of the waveguides can have at least one pulsating element. Such elements are also referred to as "spiking neuron" or "firing neutron" in an artificial neural network.
Ein jeweiliger Wellenleiter kann im Bereich eines pulsierenden Elements keine vermischten Quantentöpfe aufweisen. Die Bandlücke im dem Bereich eines pulsierenden Elements kann somit insbesondere der Energie der von der Lichtquelle bereitgestellten Photonen entsprechen.A given waveguide cannot have mixed quantum wells in the region of a pulsating element. The band gap in the area of a pulsating element can thus correspond in particular to the energy of the photons provided by the light source.
Ein jeweiliges pulsierendes Element kann in einen Zustand bringbar sein, in welchem Populationsinversion auftritt. Ankommendes Licht kann, insbesondere stark, nichtlinear verstärkt werden, so dass ein nichtlineares Verhalten simuliert werden kann.A respective pulsating element may be capable of being brought into a state in which population inversion occurs. Incoming light can be amplified non-linearly, particularly strongly, so that non-linear behavior can be simulated.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann ein jeweiliges Abschlusselement an jedem optischen Ausgang der Wellenleiter in dem Materialsystem ausgebildet sein. Mittels der Abschlusselemente kann die Ausgangsschicht eines neuronalen Netzwerkes realisiert werden. Die in dem Netzwerk verarbeiteten Informationen können mittels der Abschlusselemente erhalten bzw. ausgelesen werden.In one configuration of the invention, a respective terminating element can be formed at each optical output of the waveguides in the material system. By means of the terminating elements, the output layer of a neural network works can be realized. The information processed in the network can be obtained or read out by means of the terminating elements.
Ein jeweiliges Abschlusselement kann als Detektor zur Detektion des an dem jeweiligen optischen Ausgang ankommenden Lichts ausgestaltet sein.A respective terminating element can be designed as a detector for detecting the light arriving at the respective optical output.
Ein jeweiliger Wellenleiter kann im Bereich eines Abschlusselements keine vermischten Quantentöpfe aufweisen. Die ein Abschlusselement bildenden Halbleiterschichten können als Photodioden ausgestaltet und mit einer Sperrspannung beaufschlagbar sein, so dass die Abschlusselemente in funktionaler Hinsicht als Photodioden fungieren können.A respective waveguide cannot have any mixed quantum wells in the area of a terminating element. The semiconductor layers forming a terminating element can be in the form of photodiodes and can be subjected to a blocking voltage, so that the terminating elements can function as photodiodes from a functional point of view.
Neben den Lichtquellen und den Wellenleitern können ein, mehrere oder alle anderen Elemente des Netzwerks, insbesondere die Mikroring-Resonatoren, die Steuerelemente, die Gewichtungselemente, die pulsierenden Elemente und/oder die Abschlusselemente monolitisch in dem Materialsystem ausgebildet sein.In addition to the light sources and the waveguides, one, several or all other elements of the network, in particular the microring resonators, the control elements, the weighting elements, the pulsating elements and/or the terminating elements can be formed monolithically in the material system.
Bei der Lichtquelle handelt es sich insbesondere um eine Laserdiode. Die Lichtquelle kann gepulst oder kontinuierlich betrieben werden. Wenn somit hierin von Licht, einfallendem Licht, oder Photonen die Rede ist, kann ein von einer Lichtquelle emittierter Lichtpuls damit assoziiert sein. Licht muss nicht unbedingt sichtbar sein. Licht kann insbesondere auch im infraroten oder im ultravioletten Spektralbereich liegen.The light source is in particular a laser diode. The light source can be operated in pulsed or continuous mode. Thus, when reference is made herein to light, incident light, or photons, a light pulse emitted by a light source may be associated therewith. Light does not necessarily have to be visible. Light can in particular also be in the infrared or in the ultraviolet spectral range.
Nachfolgend sind beispielhafte Ausgestaltungsvarianten der Erfindung im Zusammenhang mit Figurendarstellungen erläutert.
-
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen photonischen Netzwerkes.
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1 shows schematically an embodiment of the photonic network according to the invention.
Das in
Jeder optische Eingang 15 der Wellenleiter 13 ist mit einer Lichtquelle 19 gekoppelt, wobei die Lichtquelle 19 zur Einspeisung von Licht, insbesondere in Form von Laserpulsen, in den jeweiligen Wellenleiter 13 vorgesehen ist. Die Wellenleiter 13 und die Lichtquellen 19 sind in dem gleichen Materialsystem monolitisch ausgebildet.Each
Das photonische Netzwerk 11 umfasst außerdem Mikroring-Resonatoren 21 zwischen jeweiligen benachbarten Wellenleitern 13. Insbesondere sind, in
Jeder Mikroring-Resonator 21 weist ein Steuerelement 23 auf, das zur Steuerung der Auskopplung von Licht aus einem Wellenleiter 13 und zur Einkopplung des Lichts in den benachbarten Wellenleiter 13 vorgesehen ist.Each
In jeden Wellenleiter 13 sind ein Gewichtungselement 25 und ein pulsierendes Element 27, das auch als „spiking neuron“ oder „firing neutron“ bezeichnet wird, integriert. Außerdem ist ein jeweiliges Abschlusselement 29 an jedem optischen Ausgang 17 der Wellenleiter 13 angeordnet.A
Die genannten Elemente, also die Mikroring-Resonatoren 21 mit den Steuerelementen 23, die Gewichtungselemente 25, die pulsierenden Elemente 27 und die Abschlusselemente 29 sind ebenfalls monolitisch mit dem Wellenleiter 13 und den Lichtquellen 19 in dem Materialsystem ausgebildet. Bei dem Materialsystem handelt es sich bevorzugt um ein Indium-Aluminium-Gallium-Arsenid (InAlGaAs) Materialsystem.The elements mentioned, ie the
Die Lichtquellen 19 können in dem photonischen Netzwerk 11 als Eingangsschicht (input layer) des Netzwerks 11 angesehen werden. An der linken Außenseite des monolitisch ausgebildeten Netzwerks 11 kann eine hochreflektierende Verspiegelung 31 aufgebracht sein, die einen jeweiligen Resonatorspiegel der Laserlichtquellen 19 bildet. Ein Übergang zwischen einer Laserlichtquelle 19 und einem Wellenleiter 13 kann eine weniger stark reflektierende Verspiegelung (nicht gezeigt) aufweisen. Diese bildet einen weiteren Resonatorspiegel einer jeweiligen Laserlichtquelle 19. Eine Auskopplung von Licht aus dem Laserresonator und eine Einkopplung des Lichts in den Wellenleiter 13 wird somit ermöglicht.The
Eine Lichtquelle 19 kann ferner mit dem jeweiligen optischen Eingang 15 des zugeordneten Wellenleiters 13 derart gekoppelt sein, dass lichterzeugende und lichtleitende Schichten der Lichtquelle 19 in der gleichen Ebene liegen wie lichtleitende Schichten der Wellenleiter 13 (nicht dargestellt). Dadurch wird eine direkte Einkopplung des Lichts von der Lichtquelle 19 in den zugeordneten Wellenleiter 13 erreicht.A
Die Wellenleiter 13 sind als Quantentopf-Wellenleiter ausgebildet und weisen ein oder mehrere Quantentöpfe auf, die so strukturiert sind, dass sich ein lichtleitender Effekt einstellt. Die Quantentöpfe weisen eine Bandlücke auf, die gegenüber einer Bandlücke zur Erzeugung von Photonen in den Lichtquellen vergrößert ist. Dies kann durch Quantentopf-Vermischung erreicht werden. Dies ist auch als Quantum Well Intermixing an sich bekannt.The
In dem Materialsystem weisen die Wellenleiter 13 außerdem einen leicht höheren optischen Brechungsindex auf als an die Wellenleiter 13 angrenzende Bereiche des Materialsystems. Dadurch können die Wellenleiter 13 basierend auf dem Effekt der Totalreflektion Licht leiten. Der Unterschied zwischen den optischen Brechungsindices eines Wellenleiters 13 und eines angrenzenden Bereichs kann dabei im Hundertstel- oder Tausendstel-Bereich liegen.In the material system, the
In einem Materialsystem basierend auf InAlGaAs beträgt der Brechungsindex etwa 3,5. Die Wellenleiter 13 können demgegenüber einen Brechungsindex von 3,501 aufweisen. Somit ergibt sich ein Grenzwinkel der Totalreflexion aus arcsin(3,5/3,501) = 88,6°. Zum Beispiel erlaubt dies die Verwendung von Krümmungen in den Wellenleitern 13 mit einem Radius von 6 µm.In a material system based on InAlGaAs, the refractive index is about 3.5. In contrast, the
Eine leichte Erhöhung des Brechungsindex in den Wellenleitern 13 kann dadurch erreicht werden, dass das die Wellenleiter 13 bildende Material während der Herstellung des monolitischen Netzwerk 11 druck- oder zugverspannt wird. Dies ist für sich genommen ebenfalls bekannt.A slight increase in the refractive index in the
Das Steuerelement 23 erlaubt eine Verstellung des optischen Brechungsindex des Mikroring-Resonators 21. Der Mikroring-Resonator 21 lässt sich daher mittels des Steuerelements 23 in Resonanz mit den benachbarten Wellenleitern 13 bringen, um eine effektive Kopplung zwischen diesen Wellenleitern 13 zu erreichen.The
Mittels eines Gewichtungselements 25 kann die Wichtigkeit eines Wellenleiters 13 in dem photonischen Netzwerk 11 eingestellt werden. Ein jeweiliger Wellenleiter 11 weist im Bereich eines Gewichtungselements 25 keine vermischten Quantentöpfe auf, so dass die Bandlücke im Bereich eines Gewichtungselements 25 der Energie der von der Lichtquelle 19 bereitgestellten Photonen entspricht.The importance of a
Ein jeweiliges Gewichtungselemente 25 kann zwischen zwei Zuständen verstellt werden, zum Beispiel mittels eines elektrischen Signals. In einem ersten Zustand des Gewichtungselements 25 können einlaufende Photonen absorbiert werden. In einem zweiten Zustand kann Populationsinversion erreicht werden und das Gewichtungselement 25 ist somit transparent für einlaufende Photonen. In Zwischenzuständen zwischen dem ersten und zweiten Zustand können einlaufende Photonen teilweise absorbiert bzw. durchgelassen werden, wobei die Durchlässigkeit umso größer wird, je näher der Zwischenzustand an dem zweiten Zustand liegt.A
Ein pulsierendes Element 27 kann als „spiking neuron“ oder „firing neutron“ angesehen werden. Dabei weist der jeweilige Wellenleiter 13 im Bereich eines jeweiligen pulsierenden Elements 27 keine vermischten Quantentöpfe auf. Die Bandlücke im Bereich eines pulsierenden Elements 27 kann somit der Energie der von der Lichtquelle bereitgestellten Photonen entsprechen.A pulsating
Ein jeweiliges pulsierendes Element 27 kann, insbesondere mittels einer elektrischen Ansteuerung, in einen Zustand bringbar sein, in welchem Populationsinversion auftritt. Ankommendes Licht kann dabei stark nichtlinear verstärkt werden, so dass ein nichtlineares Verhalten simuliert wird.A
Die Abschlusselemente 29 können als Ausgangsschicht eines Netzwerkes 11 angesehen werden. Die verarbeiteten Informationen lassen sich mittels der Abschlusselemente 29 aus dem Netzwerk 11 auslesen.The terminating
Jedes Abschlusselement 29 kann als Detektor für ankommendes Licht ausgestaltet sein. Ein jeweiliger Wellenleiter 13 weist im Bereich eines Abschlusselements 29 keine vermischten Quantentöpfe auf, so dass eine Absorption der ankommenden Photonen möglich ist. Insbesondere sind die die Abschlusselemente 29 bildenden Halbleiterschichten als Photodioden ausgestaltet und mit einer Sperrspannung beaufschlagbar.Each
Das photonische Netzwerk 11 kann als künstliches neuronales Netzwerk angesehen werden. Das photonische Netzwerk 11 eignet sich daher zum Beispiel für Anwendungen im Bereich der künstlichen Intelligenz, wie etwa maschinelles Lernen.The
BezugszeichenlisteReference List
- 1111
- Netzwerknetwork
- 1313
- Wellenleiterwaveguide
- 1515
- EingangEntry
- 1717
- AusgangExit
- 1919
- Lichtquellelight source
- 2121
- Mikroring-Resonatormicro ring resonator
- 2323
- Steuerelementcontrol
- 2525
- Gewichtungselementweight element
- 2727
- pulsierendes Elementpulsating element
- 2929
- Abschlusselementfinal element
- 3131
- Verspiegelungmirroring
Claims (19)
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