WO2024256691A1 - Architecture de circuits photoniques pour un calcul par réservoir - Google Patents

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WO2024256691A1
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circuit
signal
architecture
reservoir
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Alfredo De Rossi
Ivan BOIKOV
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Thales SA
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    • G06N3/049—Temporal neural networks, e.g. delay elements, oscillating neurons or pulsed inputs

Definitions

  • the present invention relates to a photonic circuit architecture for reservoir analog computing.
  • the present invention also relates to a method for non-linear filtering of an optical signal implemented by such an architecture.
  • Analog signals coming from outside usually have a form that is not directly usable for calculations or analysis. Consequently, processing must be applied to these signals to eliminate noise, compensate for distortions and extract the relevant information.
  • neural networks are usually performed in the digital domain, by linear and non-linear filters and, since the development of machine learning, by neural networks. For example, filtering and other linear operations are classically performed to decode advanced modulation formats in telecommunications (but there is also the field of radar signal analysis, free space communications, sensors in general, and other fields). The distortion is corrected using fast, but very energy-consuming digital electronics.
  • neural networks are of the feed-forward type through a large number of layers. Thanks to the back propagation algorithm, they can learn a large number of complex tasks.
  • These neural networks are based on traditional computing architectures (Von Neumann) and therefore consume a significant amount of energy, especially during the learning phase. In order to reduce energy consumption, an analog implementation of neural networks is considered.
  • analog computing In analog computing, the laws of physics are used to implement specific mathematical operations. As a result, an analog computer has the advantage of potentially consuming less energy than a digital computer. In addition, depending on the physical law considered, an analog computer can also be faster. In addition, the time lag between the input and output of the signal, i.e. the latency, is in principle minimized.
  • Analog computing can be implemented in a variety of ways, particularly along the lines of reservoir computing.
  • a reservoir computer is a sufficiently complex nonlinear dynamical system, whose internal state is described by the value of certain physical quantities, for example the electric field, at fixed positions in space, called "internal nodes".
  • the evolution of a reservoir computer is governed by parameters dictating the connection between the nodes.
  • the output is generated by connecting the internal nodes of the reservoir to output nodes.
  • the reservoir computer is robust with respect to manufacturing tolerances. Training is simplified in Echo State Networks (ESNs) because only external connection nodes are trained.
  • ESNs Echo State Networks
  • a is a parameter between 0 and 1.
  • î n is a matrix projecting the inputs onto the state .
  • the output signal of an ESN network is a linear combination of the states of the neurons, namely: yn ⁇ out- -n
  • LSMs Liquid State Machines
  • RC In the field of photonics, RC considers the propagation of light in a chip based on waveguides and other components, which is called an integrated photonic circuit.
  • implementations of a reservoir calculation are carried out by propagation of light between the "nodes".
  • a variant consists in injecting the signal into a single node which is reconnected to itself by an optical delay line.
  • part of the operations described by equation 1 is carried out by electronics.
  • the present description relates to a photonic circuit architecture for analog reservoir computing, the architecture comprising: an input for an optical input signal, a reservoir circuit suitable for receiving a first intermediate signal dependent on the optical input signal and for converting the first intermediate signal into a converted signal, the reservoir circuit being formed of coupled optical resonators, the reservoir circuit being devoid of delay lines between the optical resonators,
  • a reading circuit capable of receiving a second intermediate signal dependent on the converted signal and of generating an optical output signal as a function of the second intermediate signal
  • the architecture includes one or more of the following characteristics, taken in isolation or in all technically possible combinations:
  • each optical resonator is directly coupled to its near neighbors with a coupling rate and/or to a waveguide with a coupling rate;
  • each optical resonator has an optical resonance frequency corresponding to the resonant mode, the optical resonators having a non-linear response so that the optical resonance frequency of each optical resonator depends on the energy stored in this same optical resonator;
  • the signal propagating between the input and the output of the architecture is only an optical signal, without conversion into the electrical domain;
  • the reservoir circuit and the reading circuit are each produced in the form of an integrated photonic circuit
  • the output optical signal is a coherent sum of the optical fields in the optical resonators of the tank circuit
  • the reading circuit comprises additional outputs for additional signals, the additional signals being obtained by the reading circuit as a function of the second intermediate signal;
  • the reading circuit comprises N or N-1 phase modulators and N-1 variable separators connected to the phase modulators;
  • each variable separator is implemented by means of two phase modulators in a Mach-Zehnder interferometer
  • the architecture comprises: a first optical amplification and filtering circuit connected between the input and the reservoir circuit, the first optical circuit being capable of generating the first intermediate signal from the input optical signal, and a second optical amplification and filtering circuit connected between the reservoir circuit and the reading circuit, the second optical circuit being capable of generating the second intermediate signal from the converted signal.
  • the present invention also relates to a method for non-linear filtering of an optical signal implemented by an architecture as described above.
  • FIG. 1 a schematic representation of an example of a photonic circuit architecture for reservoir computing, the architecture comprising a reservoir circuit and a readout circuit,
  • FIG. 4 a schematic representation of an exemplary implementation of the reading circuit of figure 3, the reading circuit comprising phase modulators and variable separators connected to the phase modulators,
  • FIG. 6 a schematic representation of an example of a variable separator of figure 4.
  • FIG. 1 A 10 photonic circuit architecture for reservoir computing is illustrated in Figure 1 .
  • Reservoir computing is mentioned in the introduction. More generally, reservoir computing is a computational framework derived from recurrent neural network theory that projects one or more input signals into higher-dimensional computational spaces using the dynamics of a fixed, nonlinear system, called a reservoir. Once the input signal is fed into the reservoir, which is treated as a “black box,” a readout mechanism is trained to read the reservoir state and projects it to the desired output.
  • the architecture is capable of transforming an optical signal according to a law that the architecture (reservoir part) learns from training input and output sequences.
  • the reservoir of the architecture (reservoir circuit + reading circuit) operates in two modes: “training” and “inference”.
  • training the architecture 10 is presented with an input signal S and an expected output Yexpect, it is compared with the output Y of the reading circuit and the parameters Wout of the reservoir are varied until the error is minimized.
  • the parameters W out are fixed.
  • Such an architecture 10 is, for example, suitable for use as a non-linear filter on optical signals, for example telecom signals, or radar signals on optical carrier. In a particular application, the architecture 10 is used for correcting distortions of telecom signals.
  • the architecture 10 comprises an input 20 for an input optical signal S, a first optical amplification and filtering circuit 22, a reservoir circuit 24, a second optical amplification and filtering circuit 26, a reading circuit 28 and an output 30 for an output signal O.
  • the first optical circuit 22 and the second optical circuit 26 are optional.
  • an electronic block 32 used, on the one hand, during a preliminary training phase aimed at setting the parameters of the reading circuit 28, and on the other hand, in order to control the first optical circuit 22, the reservoir circuit 24 and the second optical circuit 26.
  • the electronic block 32 is optional during the inference phase, that is to say once the training phase is finished and the parameters of the reading circuit 28 are set.
  • Input 20 is suitable for receiving the input optical signal S.
  • the input optical signal S has a bandwidth BW, a carrier frequency v 0 and an average optical power P m .
  • the first optical amplification and filtering circuit 22 is connected between the input 20 and the reservoir circuit 24.
  • the first optical circuit 22 is capable of amplifying and filtering the optical signal S to obtain a first intermediate signal S.
  • the amplifying part can be produced using integrated photonic technology in indium phosphide and coupled to a silicon or silicon nitride photonic circuit performing the filtering.
  • the first optical circuit 22 comprises an amplification module 34 with a gain G and a filtering module 36 (low-pass filter for example).
  • the gain G makes it possible to bring the optical power back to the optimum level for the operation of the reservoir circuit 24.
  • the bandwidth of the BWF filter is adjusted to eliminate the spectral components outside the band of the signal S.
  • the first optical circuit 22 may consist of several amplifier-filter stages.
  • the first intermediate signal S is the first optical signal S.
  • the tank circuit 24 is suitable for carrying out the calculation function per tank.
  • the reservoir circuit 24 is capable of receiving the first intermediate signal S and of converting the first intermediate signal S into a converted signal U.
  • the reservoir circuit 24 forms the reservoir of the architecture 10.
  • the reservoir circuit 24 is capable of transforming the first intermediate signal S into the converted signal U on the basis of the following equation:
  • • a is a vector representing the internal state of the tank circuit.
  • the reservoir circuit 24 is formed of coupled optical resonators 42.
  • the optical resonators 42 are, for example, distributed in an arrangement of MIXM 2 resonators ( Figure 2).
  • the optical resonators are also called optical cavities, or simply cavities, in the following.
  • the reservoir circuit 24 is devoid of delay lines between the optical resonators 42.
  • a waveguide of length of "1 mm is not a delay line, in the operational context considered.
  • the different optical resonators 42 are not connected to each other by delay lines.
  • the 24 tank circuit is made entirely from optical components.
  • the tank circuit 24 is produced using photonic technology on silicon, silicon nitride, lithium niobate, or even indium phosphide.
  • Resonators are for example silicon rings placed on a low index substrate, for example silica.
  • the rings are formed by looping waveguides.
  • the waveguides are for example silicon ribbons whose width is of the order of 500 nm (between 300 nm and 100 nm) and the height between 100 and 600 nm (depending on the materials).
  • the geometry (height/width) is chosen according to the materials in order to minimize losses (attenuation by diffusion) and control the number of transverse modes, subject to the constraints of the standards imposed by the foundries.
  • the radius of the ring, or an alternative shape is chosen in order to minimize insertion losses and fix the free spectral range (ISL), in English "Free Spectral Range” (FSR).
  • the distance between rings is comparable to the wavelength ( ⁇ 1.5pm), typically between 200 nm and 2 pm, depending on the technologies, which induces an optical coupling between two (or more) resonators.
  • An example of a chain of coupled resonators is described here [F. Xia, et al., "Ultra-compact high order ring resonator filters using submicron silicon photonic wires for on-chip optical interconnects," Opt. Express 15, 1 1934-1 1941 (2007)]
  • resonators can be realized by approximating optical cavities of the “photonic crystal” type, as described in this publication [E. Yüce, et al. “Adaptive control of necklace states in a photonic crystal waveguide.” ACS photonics 5.10 (2016): 3984-3988.].
  • a reservoir architecture based on ring resonators (or racetrack or microdisk type) organized according to a matrix is shown.
  • Each optical resonator 42 (or optical cavity) is coupled to the near neighboring optical resonators directly according to a mutual coupling rate p and some optical resonators 42 are coupled to a waveguide 44 with a coupling rate K.
  • the coupling rate K expresses the decay rate of the energy stored in the optical resonator 42 due to the flow of a portion thereof in the waveguide.
  • the coupling rates K and p decrease when the distance between the rings and the rings and the waveguide increases. This distance is therefore chosen in order to obtain the desired value of the coupling.
  • a waveguide is used to connect to the first intermediate signal S and all the others are associated with N outputs.
  • the waveguides are only used to route the signal either to an optical resonator 42 or to an output, and not between the optical resonators 42.
  • Each optical resonator 42 (denoted by the index m) has an optical resonance frequency v m corresponding to the resonant mode whose amplitude is proportional to the variable a m .
  • the other modes of the optical resonator 42 are more spaced than the bandwidth BW of the signal considered.
  • the frequency spacing of the modes in the same resonator (ISL) is larger than the bandwidth BW of the signal considered.
  • the optical resonators 42 are directly coupled to each other depending on their spatial proximity with a mutual coupling rate p ( Figure 2, subfigure a).
  • the spacing between the optical resonators 42 is less than the wavelength of the optical signal considered.
  • the modes are twice degenerate, because at the same frequency correspond two modes according to the direction of propagation.
  • the arrows show the direction of the modes that are coupled. Note that the architecture takes into account the direction of propagation of the light in each resonator, in particular with regard to the arrangement of the waveguides.
  • Subfigures 2a and 2b show the coupling between the optical resonators 42, carried out in an evanescent manner, i.e. the optical field extends over several optical resonators 42, thus forming "supermodes".
  • This delay is also related to the time scale at which the optical field changes within each resonator, i.e. to the optical bandwidth.
  • This can be expressed by a delay-bandwidth product (a dimensionless figure related to the "memory" of the system). For example, in a single resonator, this product is equal to 1 . In a system of resonators, it can be greater than 1 .
  • This type of resonators is represented by squares (figure 2b, c) and the modes are not degenerate. It is useful, in some cases, to couple these resonators by a very short waveguide (figure 2c).
  • the optical resonators 42 have a nonlinear response such that the resonant optical frequency v of each optical resonator 42 depends on the energy E stored in the optical resonator 42.
  • the frequency shift is represented by a complex number, which means that p is also a complex constant. Physically, the effect described is either a frequency shift or a change in linewidth (increase in losses by absorption), or both.
  • all the optical resonators 42 are identical. They therefore have in this case the same resonance frequency (within the limits of the manufacturing tolerances). Alternatively, at least one optical resonator 42 is different from the other optical resonators 42.
  • the reservoir circuit 24 is produced in the form of an integrated photonic circuit.
  • the integrated photonic circuit comprises, for example, at least one of the following materials: silicon, silicon nitride, silicon-rich oxide, III-V semiconductor-on-insulator alloy and lithium niobate.
  • each resonator 42 it is possible to dynamically control the frequency v 0 of each resonator 42 by thermo-optical, electro-optical or piezo-optical effect.
  • the implementation depends on the chosen photonic foundry and in any case is a function proposed by it.
  • some or all of the resonators 42 will have associated electrical terminals, such that the change in frequency Av dy réelle ⁇ x I or V is proportional to a current or a voltage.
  • the ground terminal is common, which reduces the number of terminals to N terminals ⁇ M + 1.
  • the second optical amplification and filtering circuit 26 is connected between the reservoir circuit 24 and the reading circuit 28.
  • the second optical circuit 26 is capable of amplifying and filtering the converted signal U to obtain a second intermediate signal Ü.
  • the second optical circuit 26 comprises an amplification module 44 with a gain G and a filtering module 46 (low-pass filter for example).
  • the second intermediate signal Ü is the converted signal U.
  • the reading circuit 28 is suitable for carrying out the reading function of the calculation by reservoir.
  • the reading circuit 28 has, thus, been previously trained to read the state of the reservoir circuit 24 according to the principle of calculation by reservoir.
  • the reading circuit 28 is produced in the form of an integrated photonic circuit.
  • the integrated photonic circuit comprises for example at least one of the following materials: silicon, silicon nitride, silicon-rich oxide, III-V semiconductor-on-insulator alloy and lithium niobate.
  • the reading circuit 28 is capable of receiving the second intermediate signal Ü and of generating the output optical signal O as a function of the second intermediate signal Ü.
  • the output optical signal O is obtained by a coherent sum of the optical fields in the optical resonators 42 of the reservoir circuit 24.
  • the output optical signal O is obtained directly on the basis of the optical fields, without going through the intensities of these fields (which would have required the presence of a detector).
  • the reading circuit 28 is capable of performing a weighted sum of the components of the intermediate signal Ü (matrix) to generate the output optical signal O.
  • the read circuit 28 comprises additional outputs for additional signals U x i, ... , U X N-2.
  • the additional signals U x i, ... , U X N-2 are obtained by the read circuit 28 at the same time as the outputs O.
  • FIG. 4 shows a photonic circuit diagram performing the transformation described by equation 4. The additional outputs are obtained from the unused outputs of the components a.
  • the additional signals U x i, ... , U X N-2 make it possible to extract more information concerning the state U of the tank 24.
  • the additional signals U x i, ... , U X N-2 are, for example, used to implement control actions of the architecture 10, for example actions aimed at adjusting parameters of the first optical circuit 22 and/or of the tank circuit 24 and/or of the second optical circuit 26.
  • the reading circuit 28 comprises N (or N-1 ) phase modulators 50 and N-1 variable separators 52 connected to the N (or N-1 ) phase modulators 50.
  • the phase modulators 50 and the variable separators are for example produced in photonic technology on silicon, thin-film lithium niobate on oxide [D. Zhu, et al., "Integrated photonics on thin-film lithium niobate," Adv. Opt. Photon. 13, 242-352 (2021 ); Qi, Yifan and Li, Yang. "Integrated lithium The different components are made in the same photonic chip and connected by waveguides, represented by lines in Figure 4.
  • Figure 5 illustrates the definition of a phase modulator through the operation performed on the electric field E.
  • Phase modulators in integrated optics exploit the electro-optical, piezoelectric, thermo-optical effect.
  • semiconductors silicon, indium phosphide
  • Reference [Zhu2021, cited] describes the production of phase modulators in lithium niobate. The production of phase modulators in other platforms is described previously.
  • FIG 6 illustrates an example of a variable separator 52.
  • each variable separator 52 is implemented by means of two phase modulators 60 in a Mach-Zehnder interferometer (MZI).
  • MZI Mach-Zehnder interferometer
  • the implementation of the reading circuit 28, as presented in FIGS. 5 and 6, makes it possible to minimize the number of optical components used, i.e. 2N-1 , where N represents the number of outputs used. Moreover, one of the phase modulators 50 can be omitted, the total number of components becomes 2(N-1) .
  • Other configurations are possible, for example by a chain of MZI in “push-pull” mode [Po Dong et al., “Highspeed low-voltage single-drive push-pull silicon Mach-Zehnder modulators,” Opt. Express 20, 6163-6169 (2012)]. It is important to note that the modulation function is used in quasi-static conditions, i.e. at very low speed.
  • thermooptical effects can be suitable in the embodiment described here [K. Suzuki, et al., "Ultra-high-extinction-ratio 2 x 2 silicon optical switch with variable splitter,” Opt. Express 23, 9086-9092 (2015)].
  • the preferred embodiment favors an embodiment aimed at minimizing the power consumption and the size of the device, for example as in the device described herein [Z. Han, et al. "High-performance and power-efficient 2x 2 optical switch on silicon-on-insulator.” Optics Express 23.19 (2015): 24163-24170.].
  • the output 30 of the architecture 10 is the output of the reading circuit 28.
  • the output signal O is intended to be sent to the user, while during the learning phase, the output signal O and its complement ⁇ are sent to a detector (electronic block 32).
  • the electronic block 32 is used to drive the reading circuit 28, that is to say to determine the parameters of the reading circuit 28 making it possible to read the output of the tank circuit 24.
  • the electronic block 32 comprises a detector-receiver 50, a comparator 52 and a calculator 54 (for example a digital electronic circuit).
  • the detector-receiver transforms the optical intensity into fast electrical signals (bandwidth >1 GHz) and digitizes it.
  • the detector-receiver 50 is a coherent optical receiver, which detects both the amplitude and the phase of an optical signal and digitizes them.
  • the output signal O (in a time interval T) is sent to the detector-receiver 50.
  • the comparison between the expected signal Yexpect and the obtained signal is done in the digital domain (by the calculator 54) and the result is the error £.
  • the block 52 is included in the calculator 54.
  • the detector 50 converts the output signal O (optical signal) into the electrical domain and sends it, together with the expected signal Yexpect, to an electronic comparator-integrator circuit generating an error signal E.
  • the error signal E is then sent to the computer 54 to optimize the parameters of the first optical circuit 22 (gain G), the reservoir circuit 24, the second optical circuit 26 (gain G) and the reading circuit 28 (matrix M).
  • the procedure performs an iterative error minimization algorithm and consists of the following:
  • the error c(i) is measured for the response O(i) to the signal S(i), i indicating a realization of the signal in the interval Ti.
  • the calculator 54 modifies the parameters W out in the reading circuit 28 according to the error signal £(i), and with the aim of minimizing the error signal E.
  • the new parameters are calculated according to the fastest descent algorithm.
  • Steps 1 and 2 are repeated with new realizations of the S signals.
  • Steps 1, 2, 3 are repeated but this time with the aim of optimizing the parameters of the tank circuit 24 and the value of the gain G.
  • Input 20 receives an optical signal from input S.
  • the input optical signal S is amplified and filtered by the first optical circuit 22 to obtain the first intermediate signal S.
  • the first intermediate signal S is received by the reservoir circuit 24 and is converted into a converted signal U.
  • the converted signal U is amplified and filtered by the second optical circuit 26 to obtain the second intermediate signal Ü.
  • the second intermediate signal Ü is received by the reading circuit 28 which generates the optical output signal O.
  • the architecture 10 is entirely implemented so that during the inference phase, no digital/electronic circuit is used to convert the optical signals.
  • the signal propagating between the input 20 and the output 30 of the architecture 10 is only an optical signal, without conversion into the electrical or digital domain.
  • the energy consumption is essentially linked to 1) the amplification of the signals in the circuits 22 and 26, 2) the maintenance of the configuration in the reservoir circuit 24 and in the reading circuit 28; the calculator 54.
  • This consumption is relatively independent of the bandwidth of the optical signal, when in the digital algorithms this is a strongly increasing function of the bandwidth (of the flow rate).
  • phase modulators 50 and the power dividers 52 exploit the piezoelectric or electro-optical effect, their consumption can be extremely low.
  • Another advantage of all-optical operation in "inference" mode is that the circuit can be easily reconfigured to perform different tasks: correction of distortion of telecom signals coded according to different modulation formats and bit rates.
  • the same architecture 10 can also be used to predict the future evolution of an optical signal generated by a complex system, for example chaotic.
  • architecture 10 has a very small footprint (by several orders of magnitude if the reading circuit is also made with resonators) and reduced losses compared to state-of-the-art systems using delay lines.

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Abstract

La présente invention concerne une architecture de circuits photoniques pour un calcul analogique par réservoir, l'architecture comprenant : - une entrée pour un signal optique d'entrée, - un circuit réservoir (24) propre à recevoir un premier signal intermédiaire (Ŝ) dépendant du signal optique d'entrée et à convertir le premier signal intermédiaire (Ŝ) en un signal converti, le circuit réservoir (24) étant formé de résonateurs optiques (42) couplés, le circuit réservoir (24) étant dépourvu de lignes à retard entre les résonateurs optiques (42), - un circuit de lecture propre à recevoir un second signal intermédiaire dépendant du signal converti et à générer un signal optique de sortie en fonction du second signal intermédiaire, et - une sortie pour le signal optique de sortie.

Description

DESCRIPTION
Architecture de circuits photoniques pour un calcul par réservoir
La présente invention concerne une architecture de circuits photoniques pour un calcul analogique par réservoir. La présente invention concerne aussi un procédé de filtrage non-linéaire d’un signal optique mis en œuvre par une telle architecture.
Les signaux analogiques émanant de l’extérieur ont généralement une forme non directement exploitable pour la réalisation de calculs ou pour l’analyse. En conséquence, il convient d’appliquer un traitement à ces signaux pour éliminer le bruit, compenser les distorsions et extraire l'information pertinente.
Ces opérations sont généralement réalisées dans le domaine numérique, par des filtres linéaires et non-linéaires et, depuis le développement du « machine learning », par des réseaux neuronaux. Par exemple, le filtrage et d'autres opérations linéaires sont classiquement effectués pour décoder des formats de modulation avancés dans les télécommunications (mais il y a aussi le domaine de l'analyse des signaux radar, les communications espace libre, les capteurs en général, et encore d’autres domaines). La distorsion est quant à elle corrigée à l'aide d'une électronique numérique rapide, mais très consommatrice d’énergie. Dans l’approche conventionnelle, les réseaux neuronaux sont de type à propagation avant (en anglais « feed-forward ») à travers d’un grand nombre de couches. Grace à l’algorithme de propagation en arrière (en anglais « back propagation »), ils peuvent apprendre un grand nombre de tâches complexes. Ces réseaux de neurones sont basés sur des architectures de calcul traditionnel (Von Neumann) et de ce fait consomment une quantité d'énergie conséquente, en particulier pendant la phase d'apprentissage. Afin de réduire la consommation d’énergie, on considère une mise en œuvre analogique des réseaux de neurones.
Dans le calcul analogique, les lois de la physique sont utilisées pour mettre en œuvre des opérations mathématiques spécifiques. De ce fait, un ordinateur analogique présente l’avantage d’être potentiellement moins consommateur d’énergie qu’un ordinateur numérique. En outre, en fonction de la loi physique considérée, un ordinateur analogique peut également s’avérer plus rapide. De plus, le décalage entre l'entrée et la sortie du signal, c'est-à-dire la latence, est en principe minimisé.
Le calcul analogique peut être mise en œuvre de différentes manières, et en particulier sur le modèle de l’ordinateur à réservoir (en anglais « reservoir computing »). Un ordinateur à réservoir est un système dynamique non-linéaire suffisamment complexe, dont l'état interne est décrit par la valeur de certaines grandeurs physiques, par exemple le champ électrique, à des positions fixées dans l’espace, qu’on appelle « nœuds internes ». L'évolution d'un ordinateur à réservoir est régie par des paramètres dictant la connexion entre les nœuds. La sortie est générée en connectant les nœuds internes du réservoir à des nœuds de sortie.
L'ordinateur à réservoir est robuste en ce qui concerne les tolérances de fabrication. La formation est simplifiée dans les réseaux à état d'écho (en anglais « Echo State Networks », abrégé en ESN), car seuls les nœuds de connexion externes sont formés.
Les ESN sont régis par l’équation suivante : = (1 - «)*n-i + a tanh(l „[l; ï^]7’ + Wx„-i) (1 ) où :
• est l’état du réseau à l’instant n,
• est l’état du réseau à l’instant n-1 ,
• a est un paramètre entre 0 et 1 .
• î n est une matrice projetant les entrées sur l’état .
• est le signal d’entrée à l’instant n,
• W est la matrice de poids du réservoir, transformant l’état n en l’état n+1 avant transformation non linéaire (tangente hyperbolique y=tanh(x) ).
Le signal de sortie
Figure imgf000004_0001
d’un réseau ESN est une combinaison linéaire des états des neurones, à savoir : yn ^out- -n
Où :
• wout est une matrice projetant l’état vers les sorties.
La simplicité de la lecture permet d'utiliser la régression pseudo-orthogonale (en anglais « ridge regression ») pour effectuer un apprentissage rapide et facile qui converge toujours. Un autre avantage est que l'ESN est robuste face à la variation des paramètres du système.
Parallèlement à l'introduction des ESN, des machines à « état liquide » (en anglais « Liquid State Machines », abrégé en LSM) ont été proposées. D'un point de vue conceptuel, elles sont similaires aux ESN, mais elles ont été conçues dès le départ pour une mise en œuvre matérielle, ce qui implique également une description mathématique où le temps est une variable continue, par opposition aux ESN dont l’état évolue par « sauts » d’intervalles temporels discrets. Les deux concepts ont ensuite été regroupés et appelés calcul par réservoir (en anglais « Reservoir Computing », abrégé en RC).
Dans le domaine de la photonique, le RC considère la propagation de la lumière dans une puce à base de guides d’ondes et autres composants, que l’on appelle circuit photonique intégré. Dans l’état de la technique, des implémentations d’un calcul par réservoir sont réalisées par propagation de la lumière entre les "nœuds". Une variante consiste à injecter le signal dans un seul nœud qui est reconnecté à lui-même par une ligne à retard optique. Dans les réalisations connues en photonique, une partie des opérations décrites par l’équation 1 est effectué par l’électronique.
Néanmoins, dans les deux cas, cela implique l’utilisation d’une électronique très rapide ou de longues lignes de retard afin d'assurer la séparation des signaux dans des créneaux temporels. De telles lignes de retard sont encombrantes et engendrent des pertes supplémentaires.
Il existe donc un besoin pour une implémentation d’un calcul par réservoir avec une architecture compacte tout en limitant les pertes.
A cet effet, la présente description a pour objet une architecture de circuits photoniques pour un calcul analogique par réservoir, l’architecture comprenant : une entrée pour un signal optique d’entrée, un circuit réservoir propre à recevoir un premier signal intermédiaire dépendant du signal optique d’entrée et à convertir le premier signal intermédiaire en un signal converti, le circuit réservoir étant formé de résonateurs optiques couplés, le circuit réservoir étant dépourvu de lignes à retard entre les résonateurs optiques,
- un circuit de lecture propre à recevoir un second signal intermédiaire dépendant du signal converti et à générer un signal optique de sortie en fonction du second signal intermédiaire et
- une sortie pour le signal optique de sortie.
Suivant des modes particuliers de mise en œuvre, l’architecture comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- chaque résonateur optique est directement couplé à ses proches voisins avec un taux de couplage et/ou à un guide d’onde avec un taux de couplage ;
- chaque résonateur optique a une fréquence optique de résonance correspondant au mode résonant, les résonateurs optiques ayant une réponse non-linéaire de sorte que la fréquence optique de résonance de chaque résonateur optique dépend de l’énergie stockée dans ce même résonateur optique ;
- le signal se propageant entre l’entrée et la sortie de l’architecture est uniquement un signal optique, sans conversion dans le domaine électrique ;
- le circuit réservoir et le circuit de lecture sont chacun réalisés sous la forme d’un circuit photonique intégré ;
- le signal optique de sortie est une somme cohérente des champs optiques dans les résonateurs optiques du circuit réservoir ;
- le circuit de lecture comprend des sorties additionnelles pour des signaux additionnels, les signaux additionnels étant obtenus par le circuit de lecture en fonction du second signal intermédiaire ;
- le circuit de lecture comprend N ou N-1 modulateurs de phase et N-1 séparateurs variables connectés aux modulateurs de phase ;
- chaque séparateur variable est mis en œuvre au moyen de deux modulateurs de phase dans un interféromètre de Mach-Zehnder ;
- l’architecture comprend : un premier circuit optique d’amplification et de filtrage connecté entre l’entrée et le circuit réservoir, le premier circuit optique étant propre à générer le premier signal intermédiaire à partir du signal optique d’entrée, et un second circuit optique d’amplification et de filtrage connecté entre le circuit réservoir et le circuit de lecture, le second circuit optique étant propre à générer le second signal intermédiaire à partir du signal converti.
La présente invention a aussi pour objet un procédé de filtrage non-linéaire d’un signal optique mis en œuvre par une architecture telle que décrite précédemment.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l’invention, donnés à titre d’exemple uniquement et en référence aux dessins qui sont :
- figure 1 , une représentation schématique d’un exemple d’une architecture de circuits photoniques pour un calcul par réservoir, l’architecture comprenant un circuit réservoir et un circuit de lecture,
- figure 2, une représentation schématique d’un exemple d’implémentation du circuit réservoir de la figure 1 , - figure 3, une représentation schématique d’un exemple du circuit de lecture de la figure 1 ,
- figure 4, une représentation schématique d’un exemple d’implémentation du circuit de lecture de la figure 3, le circuit de lecture comprenant des modulateurs de phase et des séparateurs variables connectés aux modulateurs de phase,
- figure 5, une représentation schématique d’un exemple d’un modulateur de phase de la figure 4, et
- figure 6, une représentation schématique d’un exemple d’un séparateur variable de la figure 4.
Une architecture 10 de circuits photoniques pour un calcul par réservoir est illustrée par la figure 1 . Le calcul par réservoir est mentionné en introduction. Plus généralement, le calcul par réservoir est un cadre de calcul dérivé de la théorie des réseaux de neurones récurrents qui projette un ou plusieurs signaux d’entrée dans des espaces de calcul de dimension supérieure au moyen de la dynamique d’un système fixe et non linéaire, appelé réservoir. Une fois que le signal d'entrée est introduit dans le réservoir, qui est traité comme une « boîte noire », un mécanisme de lecture est entraîné pour lire l'état du réservoir et le projette à la sortie souhaitée.
Notamment, l’architecture est propre à transformer un signal optique selon une loi que l’architecture (partie réservoir) apprend à partir de séquences d’entrées et de sorties d’entraînement.
En particulier, le réservoir de l’architecture (circuit réservoir + circuit de lecture) opère en deux modes : « entraînement » et « inférence ». Dans le premier mode (entraînement), on présente à l’architecture 10 un signal d’entrée S et une sortie attendue Yexpect, on compare celle-ci avec la sortie Y du circuit de lecture et on varie les paramètres Wout du réservoir jusqu’à la minimisation de l’erreur. Dans la phase de « inférence », les paramètres Wout sont figés.
Une telle architecture 10 est, par exemple, propre à être utilisée comme filtre non- linéaire sur des signaux optiques, par exemple des signaux télécoms, ou bien des signaux radar sur porteuse optique. Dans une application particulière, l’architecture 10 est utilisée pour la correction de distorsions de signaux télécoms.
Dans l’exemple illustré par la figure 1 , l’architecture 10 comprend une entrée 20 pour un signal optique d’entrée S, un premier circuit optique 22 d’amplification et de filtrage, un circuit réservoir 24, un second circuit optique 26 d’amplification et de filtrage, un circuit de lecture 28 et une sortie 30 pour un signal de sortie O. A noter que le premier circuit optique 22 et le second circuit optique 26 sont optionnels. Sur l’exemple de la figure 1 , il est aussi illustré un bloc électronique 32 utilisé, d’une part, lors d’une phase préalable d’entraînement visant à fixer les paramètres du circuit de lecture 28, et d’autre part, afin de contrôler le premier circuit optique 22, le circuit réservoir 24 et le second circuit optique 26. Le bloc électronique 32 est optionnel lors de la phase d’inférence, c’est-à-dire une fois la phase d’entraînement terminée et les paramètres du circuit de lecture 28 fixés.
L’entrée 20 est propre à recevoir le signal optique d’entrée S. Le signal optique d’entrée S a une largeur de bande BW, une fréquence porteuse v0 et une puissance optique moyenne Pm.
Le premier circuit optique 22 d’amplification et de filtrage est connecté entre l’entrée 20 et le circuit réservoir 24. Le premier circuit optique 22 est propre à amplifier et filtrer le signal optique S pour obtenir un premier signal intermédiaire S. La partie amplificatrice peut être réalisée en technologie intégrée photonique en phosphure d’indium et couplée à un circuit photonique silicium ou nitrure de silicium effectuant le filtrage.
Dans un exemple d’implémentation illustré par la figure 1 , le premier circuit optique 22 comprend un module d’amplification 34 avec un gain G et un module de filtrage 36 (filtre passe-bas par exemple). Le gain G permet de ramener la puissance optique au niveau optimal pour le fonctionnement du circuit réservoir 24. La bande passante du filtre BWF est ajustée pour éliminer les composantes spectrales en dehors de la bande du signal S. Le premier circuit optique 22 peut se composer de plusieurs étages amplificateur-filtre.
Lorsque l’architecture 10 est dépourvue de premier circuit optique 22, le premier signal intermédiaire S est le premier signal optique S.
Le circuit réservoir 24 est propre à réaliser la fonction calcul par réservoir.
Le circuit réservoir 24 est propre à recevoir le premier signal intermédiaire S et à convertir le premier signal intermédiaire S en un signal converti U. Le circuit réservoir 24 forme le réservoir de l’architecture 10.
Dans un exemple de mise en œuvre, le circuit réservoir 24 est propre à transformer le premier signal intermédiaire S en le signal converti U sur la base de l’équation suivante :
Figure imgf000008_0001
Où :
• a est un vecteur représentant l’état interne du circuit réservoir. Chaque composante am est un nombre complexe tel que le champ électrique résonnant à fréquence optique dans chaque cavité m contenue dans le réservoir s’écrit Em(r, t) = am(tyijj(f), et • fp est une fonction (plus précisément un opérateur non-linéaire CM x CL -> CM , où M est le nombre de résonateurs et L le nombre de signaux) modélisant l’évolution du champ U dans le réservoir forcée par le signal S.
Le signal converti U est proportionnel à un sous ensemble de N résonateurs tels que Ui = a^Ku, avec KÜ les coefficients représentant le couplage du résonateur i avec le guide I.
Ce formalisme correspond à l’approximation couramment utilisée dans le domaine de la photonique et qui prend le nom de « théorie des modes couplés » [H. Haus, et al. "Coupled-mode theory." Procs. IEEE 79.10 (1991 ): 1505-1518.]
Le circuit réservoir 24 est formé de résonateurs optiques 42 couplés. Les résonateurs optiques 42 sont, par exemple, répartis dans un arrangement de MIXM2 résonateurs (figure 2). Les résonateurs optiques sont aussi appelés cavités optiques, ou tout simplement cavités, dans ce qui suit.
Le circuit réservoir 24 est dépourvu de lignes à retard entre les résonateurs optiques 42. Une ligne à retard optique est par exemple un guide d’onde dont la longueur est telle que le temps de propagation de la lumière est de l’ordre de T = 100 ps. Dans
Figure imgf000009_0001
les applications visées, la longueur est de l’ordre de 1 cm. Un guide d’ondes de longueur de « 1mm n’est pas une ligne à retard, dans le contexte opérationnel considéré. Les différents résonateurs optiques 42 ne sont pas reliés les uns aux autres par des lignes à retard.
Le circuit réservoir 24 est réalisé intégralement à partir de composants optiques.
Par exemple, le circuit réservoir 24 est réalisé en technologie photonique sur silicium, nitrure de silicium, niobate de lithium, ou encore phosphure d’indium.
Les résonateurs sont par exemple des anneaux de silicium posés sur un substrat de faible indice, par exemple silice. Les anneaux sont formés en rebouclant des guides d’ondes. Les guides d’ondes sont par exemple des rubans de silicium dont la largeur est de l’ordre de 500 nm (entre 300 nm et 100nm) et la hauteur entre 100 et 600 nm (selon les matériaux). La géométrie (hauteur/largeur) est choisie en fonction des matériaux afin de minimiser les pertes (atténuation par diffusion) et contrôler le nombre des modes transverses, sous contrainte des standards imposés par les fonderies. Le rayon de l’anneau, ou une forme alternative (ex. « circuit ») est choisi afin de minimiser les pertes d’insertion et fixer l’intervalle spectral libre (ISL), en anglais « Free Spectral Range » (FSR). Dans notre cas, ISL est choisi »BW, ce qui fixe la valeur maximale du rayon R = vg/(2TT*ISL), où vg est la vitesse de groupe de la lumière dans le guide d’onde, typiquement vg ~ O.25*co, avec Co la vitesse de la lumière dans le vide. La distance entre anneaux est comparable à la longueur d’onde (~1.5pm), typiquement entre 200 nm et 2 pm, selon les technologies, ce qui induit un couplage optique entre deux (ou davantage) résonateurs. Un exemple de chaine de résonateurs couplés est décrit ici [F. Xia, et al., "Ultra-compact high order ring resonator filters using submicron silicon photonic wires for on-chip optical interconnects," Opt. Express 15, 1 1934-1 1941 (2007)]
En alternative, les résonateurs peuvent être réalisés en approchant des cavités optiques de type « cristaux photoniques », comme décrit dans cette publication [E. Yüce, et al. "Adaptive control of necklace states in a photonic crystal waveguide." ACS photonics 5.10 (2018): 3984-3988.].
Dans un exemple d’implémentation illustré par la figure 2, il est représenté une architecture de réservoir à base de résonateurs en anneaux (ou bien de type « circuit », racetrack en anglais, ou micro-disque) organisés selon une matrice. Chaque résonateur optique 42 (ou cavité optique) est couplé aux résonateurs optiques proche voisins directement selon un taux de couplage mutuel p et certains résonateurs optiques 42 sont couplés à un guide d’onde 44 avec un taux de couplage K. Le taux de couplage K exprime le taux de décroissance de l'énergie stockée dans le résonateur optique 42 en raison de l'écoulement d'une partie de celle-ci dans le guide d'onde. Les taux de couplage K et p diminuent quand la distance entre anneaux et anneaux et guide d’ondes augmente. Cette distance est donc choisie afin d’obtenir la valeur souhaitée du couplage. En particulier, dans cet exemple, un guide d'onde est utilisé pour se connecter au premier signal intermédiaire S et tous les autres sont associés à N sorties. Ainsi, les guides d’onde sont seulement utilisés pour acheminer le signal soit vers un résonateur optique 42, soit vers une sortie, et non pas entre les résonateurs optiques 42.
Il y a cependant des variantes : par exemple on pourrait avoir plusieurs signaux S en entrée, acheminés par des guides d’ondes différents. A noter aussi que seulement une fraction de résonateurs (de préférence ceux qui sont sur le bord de la matrice) sont couplés à des guides d’ondes.
Chaque résonateur optique 42 (dénoté par l’index m) a une fréquence optique de résonance vm correspondant au mode résonant dont l’amplitude est proportionnelle à la variable am. Nous ne considérons qu’un mode de ce résonateur optique 42. De préférence, les autres modes du résonateur optique 42 sont plus espacés que la largeur de bande BW du signal considéré. De préférence, l'espacement des fréquences des modes dans le même résonateur (ISL) est plus grand que la largeur de bande BW du signal considéré.
Les résonateurs optiques 42 sont directement couplés les uns aux autres en fonction de leur proximité spatiale avec un taux de couplage mutuel p (figure 2, sous figure a). En particulier, l’espacement entre les résonateurs optiques 42 est inférieur à la longueur d’onde du signal optique considéré. A noter que dans ces résonateurs les modes sont deux fois dégénérés, car à la même fréquence correspondent deux modes selon le sens de propagation. Les flèches montrent la direction des modes qui sont couplés. A noter que l’architecture tient compte du sens de propagation de la lumière dans chaque résonateur, en particulier en ce qui concerne la disposition des guides d’ondes.
Les sous figure 2a et 2b montrent le couplage entre les résonateurs optiques 42, réalisé de manière évanescente, c’est-à-dire que le champ optique s’étend sur plusieurs résonateurs optiques 42, formant ainsi des « supermodes ». Le flux d'énergie d'un résonateur à l'autre peut être considéré comme un "saut" avec un retard Td = 1/|_i, donc inversement proportionnel au taux de couplage mutuel p entre les résonateurs optiques 42. Ce délai est également lié à l'échelle de temps à laquelle le champ optique change à l'intérieur de chaque résonateur, c'est-à-dire à la largeur de bande optique. Celle-ci peut être exprimée par un produit retard-largeur de bande (chiffre sans dimension lié à la "mémoire" du système). Par exemple, dans un seul résonateur, ce produit est égal à 1 . Dans un système de résonateurs, il peut être supérieur à 1 .
Les résonateurs optiques 42 peuvent être réalisés avec des cristaux photoniques [D. Dodane, et al. "Fully embedded photonic crystal cavity with Q= 0.6 million fabricated within a full-process CMOS multiproject wafer." Optics express 26.16 (2018): 20868- 20877.]
Ce type de résonateurs est représenté par des carrés (figure 2b, c) et les modes ne sont pas dégénérés. Il est utile, dans certains cas, de coupler ces résonateurs par un très court guide d’ondes (figure 2c).
Dans un exemple, les résonateurs optiques 42 ont une réponse non-linéaire de sorte que la fréquence optique de résonance v de chaque résonateur optique 42 dépend de l’énergie E stockée dans le résonateur optique 42. La fréquence v est, par exemple, donnée par l’équation suivante (on omet l’index m par souci de brévité) : v = v0 + /3. E (3)
Où :
• v0 est la fréquence du résonateur à la limite d'une très faible excitation optique,
• p représente la force de l’effet non linéaire, et
• E est l’énergie dans le résonateur.
Le changement de fréquence est représenté par un nombre complexe, ce qui signifie que p est aussi une constante complexe. Physiquement, l'effet décrit est soit un décalage de fréquence, soit un changement de la largeur de raie (augmentation des pertes par absorption), soit les deux. Par faible excitation on entend que le décalage spectral ou élargissement spectral est comparable à la largeur de la résonance Av = v0/Ç du résonateur optique 42, Q étant le facteur de surtension.
De préférence, tous les résonateurs optiques 42 sont identiques. Ils ont donc dans ce cas la même fréquence de résonance (dans les limites des tolérances de fabrication). En variante, au moins un résonateur optique 42 est différent des autres résonateurs optiques 42.
De préférence, le circuit réservoir 24 est réalisé sous la forme d’un circuit photonique intégré. Le circuit photonique intégré comprend par exemple au moins l’un des matériaux suivants : le silicium, le nitrure de silicium, l'oxyde riche en silicium, l'alliage lll-V de semi- conducteur sur isolant et le niobate de lithium.
Dans une variante, il est possible de contrôler de manière dynamique la fréquence v0 de chaque résonateur 42 par effet thermo optique, électro-optique ou piézo-optique. La mise en œuvre dépend de la fonderie photonique choisie et en tout cas est une fonction proposée par celle-ci. Ainsi, à une partie ou à tous les résonateurs 42 seront associés des terminaux électriques, tel que le changement de fréquence Avdy„ <x I ou V est proportionnel à un courant ou à une tension. Typiquement le terminal de masse est commun, ce qui réduit le nombre de terminaux à Nterminaux < M + 1.
Le second circuit optique 26 d’amplification et de filtrage est connecté entre le circuit réservoir 24 et le circuit de lecture 28. Le second circuit optique 26 est propre à amplifier et filtrer le signal converti U pour obtenir un second signal intermédiaire Ü.
Dans un exemple d’implémentation illustré par la figure 1, le second circuit optique 26 comprend un module d’amplification 44 avec un gain G et un module de filtrage 46 (filtre passe-bas par exemple).
Lorsque l’architecture 10 est dépourvue de second circuit optique 26, le second signal intermédiaire Ü est le signal converti U.
Le circuit de lecture 28 est propre à réaliser la fonction lecture du calcul par réservoir. Le circuit de lecture 28 a, ainsi, été préalablement entraîné pour lire l’état du circuit réservoir 24 selon le principe du calcul par réservoir.
De préférence, le circuit de lecture 28 est réalisé sous la forme d’un circuit photonique intégré. Le circuit photonique intégré comprend par exemple au moins l’un des matériaux suivants : le silicium, le nitrure de silicium, l'oxyde riche en silicium, l'alliage lll-V de semi-conducteur sur isolant et le niobate de lithium. Le circuit de lecture 28 est propre à recevoir le second signal intermédiaire Ü et à générer le signal optique de sortie O en fonction du second signal intermédiaire Ü. Dans un exemple de mise en œuvre, le signal optique de sortie O est obtenu par une somme cohérente des champs optiques dans les résonateurs optiques 42 du circuit réservoir 24. En d’autres termes, le signal optique de sortie O est obtenu directement sur la base des champs optiques, sans passer par les intensités de ces champs (ce qui aurait nécessité la présence d’un détecteur). Plus précisément, le circuit de lecture 28 est propre à effectuer une somme pondérée des composantes du signal intermédiaire Ü (matrice) pour générer le signal optique de sortie O.
Mathématiquement, le circuit de lecture 28 réalise la fonction O = W0UtU, où U est la sortie (nous omettons le signe tilde par brévité) et O représente le champ sortant du circuit (par des guides d’ondes) tel que :
EWg f, t) = O (t)ll Wg ( ) (4) et Wout est une matrice M vers 2 par exemple (donc O est un vecteur de dimension 2 représentant deux sorties, ou deux modes dans le même guide d’onde). Ceci est différent d’un circuit de lecture par somme incohérente, où le signal en sortie est dans le domaine électrique et s’écrit Oeiect(t) = m cm \ ^m \2 et il n’est que la somme de composantes positives.
De préférence, comme illustré par l’exemple de la figure 3, le circuit de lecture 28 comprend des sorties additionnelles pour des signaux additionnels Uxi, ... , UXN-2. Les signaux additionnels Uxi, ... , UXN-2 sont obtenus par le circuit de lecture 28 en même temps que les sorties O. Par exemple, la figure 4 montre un schéma de circuit photonique réalisant la transformation décrite par l’équation 4. Les sorties additionnelles sont obtenues à partir des sorties non utilisées des composants a.
Les signaux additionnels Uxi, ... , UXN-2 permettent d’extraire davantage d’informations concernant l’état U du réservoir 24. Les signaux additionnels Uxi, ... , UXN-2 sont, par exemple, utilisés pour mettre en œuvre des actions de contrôle de l’architecture 10, par exemple des actions visant à régler des paramètres du premier circuit optique 22 et/ou du circuit réservoir 24 et/ou du second circuit optique 26.
Un exemple de mise en œuvre du circuit de lecture 28 est décrit dans la demande WO 2017/144895.
Dans un exemple d’implémentation illustré par la figure 4, le circuit de lecture 28 comprend N (ou N-1 ) modulateurs de phase 50 et N-1 séparateurs variables 52 connectés aux N (ou N-1 ) modulateurs de phase 50. Les modulateurs de phase 50 et les séparateurs variables sont par exemple réalisés en technologie photonique sur silicium, niobate de lithium en couche mince sur oxide [D. Zhu, et al., "Integrated photonics on thin-film lithium niobate," Adv. Opt. Photon. 13, 242-352 (2021 ) ; Qi, Yifan and Li, Yang. "Integrated lithium niobate photonics" Nanophotonics, vol. 9, no. 6, 2020, pp. 1287-1320]. Les différents composants sont réalisés dans la même puce photonique et relies par des guides d’ondes, représentés par des lignes dans la figure 4.
La figure 5 illustre la définition d’un modulateur de phase au travers de l’opération effectuée sur le champ électrique E. Les modulateurs de phase en optique intégrée exploitent l’effet électro-optique, piézo-électrique, thermo-optique. Dans les semiconducteurs (silicium, phosphure d’indium) la modulation de la densité des porteurs libres est aussi exploitée. La référence [Zhu2021 , cité] décrit la réalisation de modulateurs de phase en niobate de lithium. La réalisation de modulateurs de phase dans les autres plateformes est décrite précédemment.
La figure 6 illustre un exemple d’un séparateur variable 52. Dans cet exemple, chaque séparateur variable 52 est mis en œuvre au moyen de deux modulateurs de phase 60 dans un interféromètre de Mach-Zehnder (MZI).
En particulier, l’implémentation du circuit de lecture 28, comme présenté dans les figures 5 et 6, permet de minimiser le nombre de composants optiques utilisés, soit 2N-1 , où N représente le nombre de sorties utilisées. D’ailleurs, un des modulateurs de phase 50 peut être omis, le nombre total de composants devient 2(N-1) . D’autres configurations sont possibles, par exemple par une chaine de MZI en mode « push-pull » [Po Dong et al., "Highspeed low-voltage single-drive push-pull silicon Mach-Zehnder modulators," Opt. Express 20, 6163-6169 (2012)]. Il est important de remarquer que la fonction modulation est utilisée en condition quasi-statique, c’est-à-dire à très basse vitesse. De ce fait, les effets thermooptiques peuvent convenir dans le mode de réalisation décrit ici [K. Suzuki, et al, "Ultra- high-extinction-ratio 2 x 2 silicon optical switch with variable splitter," Opt. Express 23, 9086- 9092 (2015)]. Le mode de réalisation préféré privilégie une réalisation visant à minimiser la consommation d’énergie et la taille du dispositif, par exemple comme dans le dispositif décrit ici [Z. Han, et al. "High-performance and power-efficient 2x 2 optical switch on silicon- on-insulator." Optics Express 23.19 (2015): 24163-24170.].
La sortie 30 de l’architecture 10 est la sortie du circuit de lecture 28. En particulier, dans la phase d’inférence, le signal de sortie O est destiné à être envoyé à l’utilisateur, tandis que durant la phase d’apprentissage, le signal de sortie O et son complémentaire Ô sont envoyés à un détecteur (bloc électronique 32).
Un exemple de configuration de l’architecture 10 va maintenant être décrit. Dans cet exemple, le bloc électronique 32 est utilisé pour entraîner le circuit de lecture 28, c’est- à-dire déterminer les paramètres du circuit de lecture 28 permettant de lire la sortie du circuit réservoir 24. Dans cet exemple, le bloc électronique 32 comprend un détecteur-récepteur (« receiver » en anglais) 50, un comparateur 52 et un calculateur 54 (par exemple un circuit électronique numérique). Le détecteur-récepteur transforme l’intensité optique en signaux électriques rapides (bande passante >1 GHz) et le numérise. Avantageusement, le détecteur-récepteur 50 est un récepteur optique cohérent, qui détecte à la fois l’amplitude et la phase d’un signal optique et les numérise.
Dans cet exemple, le signal de sortie O (dans un intervalle temporel T) est envoyé au détecteur-récepteur 50. La comparaison entre le signal attendu Yexpect et le signal obtenu se fait dans le domaine numérique (par le calculateur 54) et le résultat est l’erreur £. Dans ce cas, le bloc 52 est inclus dans le calculateur 54.
Il est aussi possible de réaliser le calcul de l’erreur dans le domaine électrique analogique. Dans ce cas, le détecteur 50 convertit le signal de sortie O (signal optique) dans le domaine électrique et l’envoie, en même temps que le signal attendu Yexpect, à un circuit électronique comparateur-intégrateur générant un signal d'erreur E.
Le signal d’erreur E est ensuite envoyé au calculateur 54 pour optimiser les paramètres du premier circuit optique 22 (gain G), du circuit réservoir 24, du second circuit optique 26 (gain G) et du circuit de lecture 28 (matrice M).
Dans un exemple, dans la phase d’entrainement, la procédure réalise un algorithme de minimisation d’erreur de type itératif et consiste en ceci :
1 L’erreur c(i) est mesurée pour la réponse O(i) au signal S(i), i indiquant une réalisation du signal dans l’intervalle Ti.
2 le calculateur 54 modifie les paramètres Wout dans le circuit de lecture 28 en fonction du signal d’erreur £(i), et dans le but de minimiser le signal d’erreur E. Par exemple, on calcule les nouveaux paramètres selon l’algorithme de la descente la plus rapide.
3 Les étapes 1 et 2 sont répétées avec des nouvelles réalisations des signaux S.
4 Les étapes 1 ,2,3 sont répétées mais cette fois dans le but d’optimiser les paramètres du circuit réservoir 24 et la valeur du gain G.
5 Les signaux auxiliaires D sont obtenus par détection directe des sorties auxiliaires UX=VU par des photodiodes intégrées à basse fréquence (<1 GHz). Ces signaux sont utilisés par le calculateur 54 afin de stabiliser le point de fonctionnement du circuit réservoir 24. Par exemple on peut fixer comme consigne le maintien du niveau de puissance moyenne dans chaque sortie auxiliaire Ux. Cette fonction est utile aussi en phase d’inférence. Un exemple de fonctionnement de l’architecture 10 en phase d’inférence va maintenant être décrit (phase d’inférence).
L’entrée 20 reçoit un signal optique d’entrée S.
Optionnellement, le signal optique d’entrée S est amplifié et filtré par le premier circuit optique 22 pour obtenir le premier signal intermédiaire S.
Le premier signal intermédiaire S est reçu par le circuit réservoir 24 et est converti en un signal converti U.
Optionnellement, le signal converti U est amplifié et filtré par le second circuit optique 26 pour obtenir le second signal intermédiaire Ü.
Le second signal intermédiaire Ü est reçu par le circuit de lecture 28 qui génère le signal optique de sortie O.
Ainsi, l’architecture 10 est entièrement réalisée de sorte que lors de la phase d’inférence, aucun circuit numérique/électronique ne soit utilisé pour convertir les signaux optiques. De ce fait, le signal se propageant entre l’entrée 20 et la sortie 30 de l’architecture 10 est uniquement un signal optique, sans conversion dans le domaine électrique ou numérique.
De ce fait, dans la phase d’inférence, la consommation d’énergie est essentiellement liée à 1) l’amplification des signaux dans les circuits 22 et 26, 2) le maintien de la configuration dans le circuit réservoir 24 et dans le circuit de lecture 28 ; le calculateur 54. Cette consommation est relativement indépendante de la bande passante du signal optique, lorsque dans les algorithmes numériques celle-ci est une fonction fortement croissante de la bande passante (du débit).
Si les modulateurs de phase 50 et les diviseurs de puissance 52 exploitent l’effet piézo-électrique ou électro-optique, leur consommation peut être extrêmement faible.
Un autre avantage du fonctionnement tout-optique en mode « inférence » est que le circuit peut être facilement reconfiguré pour effectuer des tâches différentes : correction de la distorsion des signaux télécoms codés selon des formats de modulation et débits différents. La même architecture 10 peut aussi être utilisée pour prédire l’évolution future d’un signal optique généré par un système complexe, par exemple chaotique.
L’absence des lignes à retard dans le circuit réservoir 24 permet une réduction drastique de l’encombrement de cette partie de l’architecture 10. Dans l’état de l’art antérieur, un réservoir de 16 nœuds requiert un circuit de 16 mm2 [K. Vandoorne, et al. "Experimental demonstration of reservoir computing on a silicon photonics chip." Nature communications 5.1 (2014): 3541.], c’est-à-dire 3 ordres de grandeurs supérieur à l’encombrement du réservoir 24 dans la même technologie photonique (silicium sur oxyde). Cela permet d’augmenter de manière considérable le nombre de « neurones » du réservoir. Afin d’exploiter cet avantage et le traduire en puissance de calcul, un nombre plus grand de sorties du réservoir doit être utilisé. La limite au nombre de sorties U est donné par la complexité du circuit de lecture 28. Il est possible de considérer un circuit de lecture également réalisé avec des résonateurs comme par exemple dans la référence [Dan Yi, et al., « Multi-functional photonic processors using coherent network of micro-ring resonators ». APL Photonics 6, 100801 (2021 ).].
De ce fait, l’architecture 10 présente un encombrement très réduit (de plusieurs ordres de grandeurs si le circuit de lecture est aussi réalisé avec des résonateurs) et des pertes réduites par rapport aux systèmes de l’état de la technique utilisant des lignes à retard.
L’homme du métier comprendra que les modes de réalisation et variantes de la description peuvent être combinés pourvu qu’ils soient compatibles techniquement.

Claims

REVENDICATIONS
1. Architecture (10) de circuits photoniques pour un calcul analogique par réservoir, l’architecture (10) comprenant : une entrée (20) pour un signal optique d’entrée (S), un circuit réservoir (24) propre à recevoir un premier signal intermédiaire (S) dépendant du signal optique d’entrée (S) et à convertir le premier signal intermédiaire (S) en un signal converti (II), le circuit réservoir (24) étant formé de résonateurs optiques (42) couplés, le circuit réservoir (24) étant dépourvu de lignes à retard entre les résonateurs optiques (42),
- un circuit de lecture (28) propre à recevoir un second signal intermédiaire (Ü) dépendant du signal converti (U) et à générer un signal optique de sortie (O) en fonction du second signal intermédiaire (£7), et
- une sortie pour le signal optique de sortie (O).
2. Architecture (10) selon la revendication 1 , dans lequel chaque résonateur optique (42) est directement couplé à ses proches voisins avec un taux de couplage (p) et/ou à un guide d’onde (44) avec un taux de couplage (K).
3. Architecture (10) selon la revendication 2, dans lequel chaque résonateur optique (42) a une fréquence optique de résonance (v) correspondant au mode résonant, les résonateurs optiques (42) ayant une réponse non-linéaire de sorte que la fréquence optique de résonance (v) de chaque résonateur optique (42) dépend de l’énergie stockée dans ce même résonateur optique (42).
4. Architecture (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le signal se propageant entre l’entrée (20) et la sortie de l’architecture (10) est uniquement un signal optique, sans conversion dans le domaine électrique.
5. Architecture (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le circuit réservoir (24) et le circuit de lecture (28) sont chacun réalisés sous la forme d’un circuit photonique intégré.
6. Architecture (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le signal optique de sortie (O) est une somme cohérente des champs optiques dans les résonateurs optiques (42) du circuit réservoir (24).
7. Architecture (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le circuit de lecture (28) comprend des sorties additionnelles pour des signaux additionnels (Uxi, UXN-2), les signaux additionnels (Uxi, UXN-2) étant obtenus par le circuit de lecture (28) en fonction du second signal intermédiaire (Ü).
8. Architecture (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le circuit de lecture (28) comprend N ou N-1 modulateurs de phase (50) et N-1 séparateurs variables (52) connectés aux modulateurs de phase (50).
9. Architecture (10) selon la revendication 8, dans lequel chaque séparateur variable (52) est mis en œuvre au moyen de deux modulateurs de phase (60) dans un interféromètre de Mach-Zehnder.
10. Architecture (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel l’architecture (10) comprend : un premier circuit optique (22) d’amplification et de filtrage connecté entre l’entrée (20) et le circuit réservoir (24), le premier circuit optique (22) étant propre à générer le premier signal intermédiaire (S) à partir du signal optique d’entrée (S), et un second circuit optique (26) d’amplification et de filtrage connecté entre le circuit réservoir (24) et le circuit de lecture (28), le second circuit optique (26) étant propre à générer le second signal intermédiaire (Ü) à partir du signal converti (U).
11. Procédé de filtrage non-linéaire d’un signal optique mis en œuvre par une architecture (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10.
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