多面光波変換型スケーラブル光演算回路の創成と深層ニューラルネットワーク応用

多面光波转换型可扩展光学运算电路的创建及深度神经网络的应用

基本信息

批准号：
21K18168
负责人：
種村拓夫
金额：
$ 16.64万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18168/
关键词：
光集積デバイスニューラルネットワーク集積フォトニクス

项目摘要

本研究は、多面光波変換法に基づくスケーラブルな光ユニタリ変換回路を用いることで、任意の線形行列演算を光領域で高速に実現することを目的とする。このような回路を深層ニューラルネットワークの線形処理部に適用することで、チップ内を光が伝搬するだけで演算が完了する究極的に低消費電力かつ低遅延な処理が可能になる。具体的には、数ミリ角の半導体チップ内に多数の光回折部と光位相シフタ部を高密度に集積し、光の回折と波面制御を繰り返すことで任意の線形演算を行う。従来手法とは本質的に異なり、チップ内での光の回折現象を直接利用することで、光波の空間並列性のメリットを最大限活かしながら、作製誤差に対してもロバストな、真にスケーラブルな光演算回路を実現することを目指している。2022年度は、まず、偏波分離器アレイと6入力光ユニタリ変換器をワンチップに集積した光回路を作製し、3モード偏波多重信号の全光multi-input-multi-output（MIMO）処理実験を行った。光位相シフタ部を適切に調節することで、300 Gbps コヒーレント信号のモード／偏波分離と受信に成功した。また、前年度に数値実証した作製誤差耐性を実験的に検証するために、導波路パラメータを変化させた多面光波変換型光ユニタリ変換回路を複数試作し、全ての素子で同等の性能が得られることを明らかにした。本成果は、多面光波変換手法特有のスケーラビリティを理論・実験の両面から裏付けたものであり、大規模な光演算を実現する上で有効だと考えられる。

本研究的目的是利用基于多边形光波转换方法的可扩展光学酉转换电路，实现光域中高速的任意线性矩阵运算。通过将这种电路应用于深度神经网络的线性处理部分，可以进行低功耗和低延迟的处理，其中计算仅通过芯片内的光传播来完成。具体而言，在几毫米见方的半导体芯片内高密度地集成大量光学衍射单元和光学移相器单元，并通过重复光衍射和波前控制来执行任意线性计算。与传统方法本质上不同的是，通过直接利用芯片内的光衍射现象，我们创建了一种真正可扩展的方法，该方法对制造误差具有鲁棒性，同时充分利用光波的空间平行性，目的是实现光学算法。电路。 2022财年，我们将首先创建在一个芯片上集成偏振分离器阵列和6输入光一体转换器的光电路，并对3模偏振复用进行全光多输入多输出（MIMO）处理我们做了一个实验。通过适当调整光学移相器部分，我们成功地实现了模式/偏振分离并接收了 300 Gbps 相干信号。此外，为了通过实验验证前一年通过数值证明的制造误差容限，我们制造了多个具有不同波导参数的多面光波转换型光学单一转换电路原型，并显示所有元件均实现了等效性能。。这一结果支持了多面光波转换方法所特有的理论和实验可扩展性，并被认为在实现大规模光学计算方面是有效的。

项目成果

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专利数量（0）

Multi-wavelength dual-polarization optical unitary processor using integrated multi-plane light converter

使用集成多平面光转换器的多波长双偏振光学统一处理器

DOI：
10.35848/1347-4065/acab70
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
1.5
作者：
R. Tanomura; T. Tanemura; Y. Nakano
通讯作者：
Y. Nakano

Experimental demonstration of error-tolerant optical unitary converter

容错光学一体转换器的实验演示

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
R. Tanomura; R. Tang; T. Tanemura;Y. Nakano
通讯作者：
Y. Nakano

Integrated optical unitary converter based on nonuniform multimode interference coupler

基于非均匀多模干涉耦合器的集成光一体转换器

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
R. Tanomura; R. Tang; T. Tanemura; Y. Nakano
通讯作者：
Y. Nakano

Demonstration of 10-port integrated optical unitary converter

10端口集成光一体转换器演示

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
R. Tang; R. Tanomura; T. Tanemura; Y. Nakano
通讯作者：
Y. Nakano

Scalable and Robust Photonic Integrated Unitary Converter Based on Multiplane Light Conversion

基于多平面光转换的可扩展且鲁棒的光子集成酉转换器

DOI：
10.1103/physrevapplied.17.024071
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
4.6
作者：
Tanomura Ryota;Tang Rui;Umezaki Toshikazu;Soma Go;Tanemura Takuo;Nakano Yoshiaki
通讯作者：
Nakano Yoshiaki