[논문 리뷰] Reservoir Computing based on Mutually Injected Phase Modulated Semiconductor Lasers as a monolithic integrated hardware accelerator

Kostas Sozos, Charis Mesaritakis외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 22.

Neural Networks and Reservoir Computing참고 문헌 23인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 두 상호 주입된 위상 변조형 반도체 레이저를 사용한 단일 집적형 저항기 계산 시스템을 제안하며, 고속, 소형, 에너지 효율적인 광신호 처리를 가능하게 한다. 위상 변조와 상호 주입을 활용함으로써 단일 레이저 피드백 시스템 대비 효과적인 저항기 노드 수를 두 배로 늘려, 55km 전송에서 25 Gbaud PAM-4 신호에 대해 BER < 3×10⁻³을 달성하고, 오픈 FEC를 사용할 경우 최대 90km까지 성능을 확보하며, 기존의 지연 기반 RC 및 선형 보정기보다 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

In this paper we propose and numerically study a neuromorphic computing scheme that applies delay-based reservoir computing in a laser system consisting of two mutually coupled phase modulated lasers. The scheme can be monolithic integrated in a straightforward manner and alleviates the need for external optical injection, as the data can be directly applied on the on-chip phase modulator placed between the two lasers. The scheme also offers the benefit of increasing the nodes compared to a reservoir computing system using either one laser under feedback or laser under feedback and optical injection. Numerical simulations assess the performance of the integrated reservoir computing system in dispersion compensation tasks in short-reach optical communication systems. We numerically demonstrate that the proposed platform can recover severely distorted 25 Gbaud PAM-4 signals for transmission distances exceeding 50km and outperform other competing delay-based reservoir computing systems relying on optical feedback. The proposed scheme, thanks to its compactness and simplicity, can play the role of a monolithic integrated hardware accelerator in a wide range of application requiring high speed real time processing.

연구 동기 및 목표

• 광통신 분야에서 실시간 신호 처리를 위한 컴act하고, 단일 칩으로 제작되며, 에너지 효율적인 하드웨어 가속기 개발.
• 기존의 광피드백 또는 외부 주입에 의존하는 지연 기반 저항기 계산 시스템의 한계를 극복하여 시스템의 복잡성과 크기를 증가시키는 문제 해결.
• 두 레이저의 상호 주입을 통해 효과적인 저항기 노드 수를 두 배로 늘림으로써 계산 효율성과 처리 거리 향상.
• 전기 입력과 위상 변조만을 사용하여 단거리 광링크에서 25 Gbaud PAM-4 신호의 고속 실시간 처리 구현.
• 디스pers이언 보정 작업에서 기존의 선형 보정기 및 단일 레이저 피드백 RC 시스템에 비해 뛰어난 성능을 입증.

제안 방법

• 두 상호 연결된 반도체 레이저에 위상 변조기와 가변 광압력기(VOA)를 단일 칩에 통합.
• 위상 변조는 레이저 간 상호 연결 영역에 직접 적용되어 외부 광원 없이 전기 주입을 가능하게 한다.
• 레이저 간 상호 주입이 외부 광주입을 대체하여 아키텍처를 단순화하고 안정성을 향상시킨다.
• 결합된 레이저의 비선형 동역학이 저항기로 기능하며, 광학 루프 내의 루프-트립 지연을 통해 시간 분할 노드가 생성된다.
• 읽기층은 아날로그-디지털 변환과 디지털 신호 처리를 통해 선형 회귀를 수행하여 실시간 추론을 가능하게 한다.
• 시스템은 각 레이저의 광자 밀도와 캐리어 농도를 위한 결합된 비선형 속도 방정식으로 수치 모델링되며, 위상 변조는 시간에 따라 변하는 떨어짐으로 모델링된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서로 연결된 위상 변조형 레이저 기반의 단일 집적형 저항기 계산 시스템이 단일 레이저 피드백 시스템보다 더 높은 계산 효율성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 위상 변조와 상호 주입을 사용할 경우, 광피드백 또는 외부 주입 대비 효과적인 저항기 노드 수와 처리 성능이 어떻게 향상되는가?
• RQ3 이 시스템이 디스퍼전 손상이 주요 요인인 광링크에서 25 Gbaud PAM-4 신호의 최대 전송 거리는 얼마인가?
• RQ4 BER 및 처리 속도 측면에서 이 시스템의 성능이 기존의 선형 보정기 및 다른 지연 기반 RC 아키텍처와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 최소한의 광학적 지연과 높은 소형화를 유지하면서 실시간 처리 속도(10 Gsa/s 이상)로 작동할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 상호 주입 RC 시스템은 55km 전송 거리에서 25 Gbaud PAM-4 신호에 대해 BER < 3×10⁻³을 달성하여 HD-FEC 한계를 충족한다.
• 오픈 FEC를 적용한 결과, 전송 손상이 90km까지도 효과적으로 보정되어 직접 검출된 PAM-4 신호의 전송 거리가 크게 향상된다.
• 특히 짧은 지연에서 단일 레이저 피드백 RC 및 외부 주입 레이저 피드백 시스템보다 효과적인 저항기 노드 수가 두 배로 증가함에 따라 성능이 뛰어나지 못함.
• 지연이 40 ps일 경우, 시스템은 오픈 FEC 한계에 매우 가까운 BER 성능을 확보하여 20 Gsa/s 이상의 실시간 처리 속도를 구현할 수 있다.
• 상호 주입 방식은 소형화와 성능 사이의 최적의 트레이드오프를 제공하며, 240 ps 지연을 위해 단지 2cm의 칩 길이만 필요로 하며, 단일 레이저 피드백 시스템(1cm) 대비 노드 수는 낮지만 성능은 뛰어나다.
• 위상 변조 덕분에 고대역폭 동작이 가능하고 주파수 떨어짐이 줄어들어, 스레브 레이저가 임계값을 훨씬 초과해 설정되어 있어도 최적의 성능을 유지할 수 있다.