[论文解读] Microring Weight Banks Control beyond 8.5-bits Accuracy

Weipeng Zhang, Chaoran Huang+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2021

Photonic and Optical Devices被引用 14

一句话总结

该论文提出了一种用于硅光子学中微环谐振器（MRR）权重阵列的新型抖动方法，实现了高达8.5位的精度和9.0位的分辨率——与模拟处理器相当——同时实现了对多个MRR的可扩展控制，附加复杂度极低，并有效抑制串扰，显著提升了基于MRR的光计算应用性能。

ABSTRACT

The microring resonators (MRR) weight bank, a ubiquitous element in silicon photonics providing weight addition, yet, has long suffered from the weakness of low accuracy, so that harming its potential in various promising applications. Here, we demonstrated a novel dithering method for MRR weight control, reaching an accuracy of up to 8.5 bits and a precision of up to 9.0 bits, which rivals that of the analog processors. Also, this method maintains good scalability to control multi-MRRs with little additional increase in searching time and system complexity, and has efficacious suppression to the inter-channel crosstalk. Given these features, this method could widely benefit the applications of MRR weight banks and facilitate the prevalence of the MRR in silicon photonics.

研究动机与目标

• 为解决长期存在的微环谐振器（MRR）权重阵列精度低的问题，该问题限制了其在高精度光计算中的应用。
• 开发一种可扩展的方法，用于控制多个MRR，而不会显著增加系统复杂度或搜索时间。
• 在MRR权重阵列中有效抑制通道间串扰，以提升信号完整性。
• 在全光计算系统中实现与模拟处理器相当的精度和准确度水平。

提出的方法

• 应用一种新型抖动技术，对微环谐振器的谐振条件进行精细调节，以实现精确的权重控制。
• 通过向MRR参数引入受控扰动，该方法实现了高分辨率调节，其分辨率超越了传统方法。
• 抖动方法设计为可扩展，可实现对多个MRR的高效控制，同时计算开销增加极小。
• 通过优化的控制算法和抖动过程中的谐振管理，实现通道间串扰的有效抑制。
• 通过利用抖动框架中固有的反馈机制，系统对制造工艺偏差保持低敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 抖动方法是否能在微环谐振器权重阵列中实现低于9位的分辨率？
• RQ2 所提出的方法在控制多个MRR时，是否能在不降低性能或增加复杂度的前提下实现可扩展性？
• RQ3 使用该技术，MRR基权重阵列中通道间串扰的抑制程度如何？
• RQ4 该方法是否在光计算系统中实现了与模拟处理器相当的准确度和精度？

主要发现

• 所提出的抖动方法实现了高达8.5位的权重控制准确度，显著优于以往基于MRR的系统。
• 实现了高达9.0位的分辨率，与光计算应用中模拟处理器的性能相当。
• 该方法保持了良好的可扩展性，控制多个MRR时仅带来微小的搜索时间与系统复杂度增加。
• 通道间串扰得到有效抑制，显著提升了多通道MRR权重阵列中的信号保真度。
• 该技术实现了高精度光计算，使MRR在实际硅光子实现中更具可行性。