Implementation and validation of a Mach-Zehnder-based photonic core for matrix-vector multiplication

We are currently living a revolution in the field of information technology. The exponential growth of applications such as Graphic Processing Units (GPU), machine learning and Internet-of-Things (IoT) is pushing the performance of the current state-of-the-art technologies towards their intrinsic limit. Indeed, most of these platforms are based on digital electronic systems, which have been rapidly evolving in the past decades but are now reaching their limit in terms of bandwidth and power dissipation. As the need for faster and less energy-consuming electronics sets the main goals for new developments in the field, some alternatives to the digital approach must be sought in order to overcome the current limitations of the available technologies. Electronic circuits rely on the charge and discharge of electrical transmission lines, producing a power consumption proportional to the maximum switching frequency and a total latency that scales with the number of required stages. By relying on electronics alone for transmission and elaboration of data, the overall price to pay becomes inconvenient, especially at high data rates. A less power-hungry path should be followed. The field of photonics comes in handy for this purpose. Indeed, it offers the advantage of avoiding electronic switching by working directly with light, which does not dissipate energy while propagating. Moreover, this approach opens the possibility of transmission at very large bandwidth, as the information can travel at light speed. These properties justify the co-integration of photonic structures and electronic processors in order to reach better performance and enable computing in the optical domain. Optical computing is a promising solution for high-speed data processing and mathematical operation, in particular Matrix-Vector multiplication. Indeed, the information of the data can be encoded in the amplitude and phase of optical beams, which act as vectors, and photonic architectures perform linear operations with light, meaning that the Matrix-Vector multiplication happens as light travels inside the structure. However, photonic platforms are highly sensible to fabrication mismatches, which affect the real behavior of the devices, and thermal and environmental changes, which cause drifts in the devices working point. Hence, an electronic control layer is needed to monitor the state of the photonic processor and act in closed-loop to compensate for these non-idealities. In this thesis, a Mach-Zehnder Interferometer-based photonic core has been developed and validated. It has been used to perform Matrix-Vector Multiplication in the optical domain with record-high precision and stability in a 2x2 structure, and preliminary results have been extracted from a more complex 3x3 architecture. The operation of the photonic core is possible thanks to a control strategy implemented with a custom electronic system, which interfaces the photonic structures and implements the control algorithm.

Stiamo attualmente vivendo una rivoluzione nel campo della tecnologia dell'informazione. La crescita esponenziale di applicazioni come Unità di elaborazione grafica (GPU), machine learning e Internet-of-Things (IoT) sta spingendo le prestazioni dell'attuale stato dell'arte delle tecnologie verso il loro limite intrinseco. In effetti, molte di queste piattaforme si basano su sistemi elettronici digitali, i quali si sono rapidamente evoluti negli ultimi decenni, ma stanno ora raggiungendo i loro limiti in termini di velocità di calcolo e dissipazione di potenza. Poiché il bisogno di un'elettronica più veloce e meno affamata di energia impone i principali obiettivi per nuovi sviluppi nel campo, delle alternative all'approccio digitale devono essere ricercate in modo da superare gli attuali limiti delle tecnologie a disposizione. I circuiti elettronici si basano sulla carica e scarica di linee di trasmissione elettriche, provocando un consumo di potenza proporzionale alla massima frequenza di commutazione e una latenza totale che aumenta col numero di stadi richiesti. Affidandosi esclusivamente all'elettronica per la trasmissione ed elaborazione di dati, il prezzo complessivo da pagare diventa inconveniente, soprattutto a flussi dati molto elevati. Una strada meno affamata di potenza è da seguire. Il campo della fotonica appare d'aiuto a questo proposito. Effettivamente, esso offre il vantaggio di evitare commutazioni elettroniche lavorando direttamente con la luce, che non dissipa energia al propagarsi. Inoltre, questo approccio apre la possibilità di trasmissione a banda molto larga, poiché le informazioni viaggiano alla velocità della luce. Queste proprietà giustificano la co-integrazione di strutture fotoniche e processori elettronici così da raggiungere migliori prestazioni e consentire calcolo nel dominio ottico. Il calcolatore ottico è una soluzione promettente per l'elaborazione di dati ad alta velocità e operazioni matematiche, in particolare la moltiplicazione vettore-matrice. Infatti, l'informazione proveniente dai dati può essere mappata nell'ampiezza e fase dei campi ottici, che costituiscono i vettori, mentre le architetture fotoniche svolgono operazioni lineari con la luce; pertanto, la moltiplicazione vettore-matrice avviene con la propagazione della luce nella struttura fotonica. Le piattaforme fotoniche, però, sono molto sensibili a tolleranze di processo che affliggono il reale comportamento dei dispositivi, e anche a cambiamenti termici ed ambientali, responsabili di allontanamenti dai punti operativi. Ecco che un metodo di controllo elettronico è necessario per monitorare lo stato del processore fotonico e agire ad anello chiuso così da compensare queste non idealità. In questa tesi, un processore fotonico basato su interferometri Mach-Zehnder è stato sviluppato e validato. Esso è stato usato per eseguire moltiplicazioni vettore-matrice nel dominio ottico con elevatissima precisione e stabilità in una struttura 2x2, e risultati preliminari sono stati estratti da un'architettura 3x3 più complessa. L'operazione del processore è resa possibile da una strategia di controllo realizzata da un sistema elettronico, che si occupa di interagire con le strutture fotoniche e realizza l'algoritmo di controllo.