[論文レビュー] Reservoir Computing based on Mutually Injected Phase Modulated Semiconductor Lasers as a monolithic integrated hardware accelerator

Kostas Sozos, Charis Mesaritakis+1 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2021

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 23被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、二つの相互注入された位相変調型半導体レーザーを用いたモノリシック統合型リザボアコンピューティングシステムを提案する。このシステムにより、高速でコンactかつエネルギー効率の高い光信号処理が実現される。位相変調と相互注入を活用することで、単一レーザーのフィードバック系に比べて有効なリザボアノード数を2倍に増加させ、55 km伝送で25 Gbaud PAM-4信号に対して BER < 3×10⁻³ を達成し、オープンFECを用いることで最大90 kmまで補償可能となり、既存の遅延ベースのRCおよび線形イコライザを上回る性能を示す。

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.

研究の動機と目的

• 光通信におけるリアルタイム信号処理のためのコンactでモノリシックかつエネルギー効率の高いハードウェアアクセラレータの開発。
• 光フィードバックや外部注入に依存する既存の遅延ベースのリザボアコンピューティングシステムの制限を克服し、システムの複雑さとサイズを低減すること。
• 二つのレーザーの相互注入により有効なリザボアノード数を倍増させることで、計算効率と処理距離を向上させること。
• 電気入力と位相変調のみを用いて、短距離光リンクにおける25 Gbaud PAM-4信号の高速でリアルタイム処理を可能にすること。
• 分散損傷が支配的な光リンクにおいて、従来の線形イコライザーや単一レーザーのフィードバックRCシステムに比べて優れた性能を示すこと。

提案手法

• 本システムは、1枚のチップ上に位相変調器と可変光衰減器（VOA）を統合した二つの相互結合された半導体レーザーを用いる。
• 位相変調は、レーザー間の結合領域に直接適用され、外部光源を必要とせず電気的に入力データを注入可能となる。
• レーザー間の相互注入が外部光注入を置き換え、アーキテクチャを単純化し、安定性を向上させる。
• リザボアは結合レーザーの非線形ダイナミクスによって形成され、光ループ内のラウンドトリップ遅延を介して時間多重ノードが生成される。
• 読み出し層はアナログデジタル変換とデジタル信号処理を用いた線形回帰を実行し、リアルタイム推論を可能にする。
• システムは、各レーザーにおける光子密度およびキャリア密度のカップルされた非線形レート方程式を用いて数値的にモデル化され、位相変調は時間変動する周波数オフセットとしてモデル化される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相互結合された位相変調型レーザーに基づくモノリシック統合リザボアコンピューティングシステムは、単一レーザーのフィードバック系に比べて、より高い計算効率を達成できるか？
• RQ2 位相変調と相互注入を用いることで、光フィードバックや外部注入に比べて、有効なリザボアノード数と処理性能がどのように向上するか？
• RQ3 このシステムが、分散損傷が支配的な光リンクにおいて、25 Gbaud PAM-4信号の最大伝送距離をどの程度まで拡張できるか？
• RQ4 BERおよび処理速度の観点から、従来の線形イコライザーや他の遅延ベースのRCアーキテクチャと比較して、このシステムの性能はどの程度か？
• RQ5 最小限の光遅延と高いコンパクトネスを実現しながら、リアルタイム処理速度（10 Gsa/sを超える）で動作可能か？

主な発見

• 提案された相互注入型RCシステムは、55 km伝送において25 Gbaud PAM-4信号に対して BER < 3×10⁻³ を達成し、HD-FECの限界を満たす。
• オープンFECを用いることで、90 kmまでの伝送劣化を効果的に補償し、直接検出型PAM-4信号の伝送距離を顕著に延長した。
• 特に短い遅延領域において、単一レーザーのフィードバックRCおよび外部注入型レーザーのフィードバックシステムよりも優れた性能を示した。これは、有効なリザボアノード数が2倍に増加したためである。
• 40 psの遅延において、システムはオープンFECの限界に近いBER性能を達成し、20 Gsa/sを超えるリアルタイム処理が可能となった。
• 相互注入方式は、コンパクトネスと性能の最良のトレードオフを実現し、240 psの遅延を実現するのに2 cmのチップ長さで十分であった。これは、単一レーザーのフィードバック方式（1 cm）に比べてノード数が少ないが、性能は優れている。
• 位相変調により高帯域動作が可能となり、周波数オフセットの調整が必要な回数が減少し、スレーブレーザーがしきい値より大幅に上方にバイアスされていても最適な性能を発揮できる。