Experimental evaluation of photonic integrated circuits for multilayer photonic neural networks

Abstract

This dissertation presents the design and experimental validation of three modular photonic subsystems that support key signal processing functions for integrated photonic neural networks. The work focuses on the implementation of distinct building blocks for optical weighting, nonlinear activation, and on–chip amplification. These subsystems were developed for compatibility with the silicon nitride (Si3N4) platform, emphasizing energy efficiency, high–speed operation, signal fidelity, and scalable integration. The first subsystem implements a reconfigurable optical weighting mechanism based on Mach–Zehnder interferometersincorporating ferroelectric barium titanate phase shifters. These devices were integrated on alow–loss Si3N4 platform, achieving nanowatt–level static power consumption, propagation lossesbelow 1 dB/mm, and response times under 20 ns. Fabricated via a hybrid multi–material stack, the weighting units were experimentally validated in terms of electro–optic phase tuning efficiency and modulation dynamics. The results demonstrate their potential as low–power alternatives to conventional thermo–optic phase shifters commonly employed in scalable photonic networks. The second subsystem realizes a nonlinear activation function unit implemented in bothopto–electronic and opto–electro–optic configurations. It combines a semiconductor optical amplifier, a high–speed uni–traveling–carrier photodiode, and a BiCMOS transimpedance amplifier to produce reconfigurable analog responses with sigmoid–like characteristics. This subsystem was validated employing both structured step–wise and stochastic optical inputs,confirming its ability to maintain signal integrity and stable dynamic behavior. Experimental measurements demonstrated operation at bandwidths exceeding 10 GHz, with energy–per–bitvalues ranging from 24–36 pJ/bit. The third subsystem is a monolithically integrated optical amplifier based on an erbium–doped alumina waveguide, fabricated directly on a Si3N4 platform. It was developed to compensate for signal degradation and restore optical power in complex photonic chips with multiple on–chip components, organized into multi–stage or multi–layer architectures and supporting dense wavelength–division multiplexing (WDM). The amplifier demonstrated internal optical gain of 1.44 dB/cm at 1532 nm and enabled high–speeddata transmission across multiple WDM configurations, reaching aggregate throughput upto 480 Gb/s. Both static and dynamic experiments confirmed its performance in broadband, multi–channel environments. Collectively, the three subsystems provide a modular and experimentally validated foundation for multilayer photonic neural architectures. The design approach emphasizes practical integration and signal interoperability across components, addressing key requirements for inference–mode photonic computing. Although full subsystem integration into a unified neural network was not realized within the scope of this dissertation, the presented work delivers a compatible and energy–efficient set of building blocks that meet the functional demands of neuromorphic photonic systems. This contribution lays the groundwork for future co–integration, system–level validation, and the eventual deployment of programmable, high–throughput photonic neural hardware for advanced computing applications.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζει τον σχεδιασμό και την πειραματική επικύρωση τριών αρθρωτών φωτονικών υποσυστημάτων που υποστηρίζουν βασικές λειτουργίες επεξεργασίας σήματος για ολοκληρωμένα φωτονικά νευρωνικά δίκτυα. Η εργασία επικεντρώνεται στην υλοποίηση διακριτών δομικών μονάδων για οπτική στάθμιση, μη γραμμική ενεργοποίηση και ενίσχυση σήματος σε επίπεδο chip. Τα υποσυστήματα αναπτύχθηκαν με στόχο τη συμβατότητα με την πλατφόρμα νιτριδίου του πυριτίου (Si3N4), δίνοντας έμφαση στην ενεργειακή αποδοτικότητα, την υψηλή ταχύτητα λειτουργίας, την ακεραιότητα σήματος και την επεκτασιμότητα της ενσωμάτωσης. Το πρώτο υποσύστημα υλοποιεί έναν επαναρυθμιζόμενο μηχανισμό οπτικής στάθμισης βασισμένο σε συμβολόμετρα Mach–Zehnder με διαμορφωτές φάσης από σιδηροηλεκτρικό Τιτανικό Βάριο. Οι διατάξεις αυτές ολοκληρώθηκαν σε πλατφόρμα Si3N4 χαμηλών απωλειών, επιτυγχάνοντας στατική κατανάλωση ισχύος επιπέδου nanowatt, απώλειες διάδοσης κάτω του 1,dB/mm και χρόνους απόκρισης μικρότερους από 20 ns. Κατασκευασμένες μέσω υβριδικής τεχνολογικής στοίβας πολλαπλών υλικών, οι μονάδες στάθμισης επικυρώθηκαν πειραματικά ως προς την ήλεκτρο–οπτική απόδοση ρύθμισης φάσης και τη δυναμική της διαμόρφωσης. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν τις δυνατότητές τους ως λύσεις χαμηλής κατανάλωσης έναντι των συμβατικών θερμοοπτικών διαμορφωτών που χρησιμοποιούνται σε κλιμακούμενα φωτονικά δίκτυα. Το δεύτερο υποσύστημα υλοποιεί μια μονάδα μη γραμμικής ενεργοποίησης σε αρχιτεκτονικές οπτοηλεκτρονικής και οπτοηλεκτρονικής–οπτικής. Συνδυάζει έναν οπτικό ενισχυτή ημιαγωγού, μια φωτοδίοδο μονής μεταφοράς φορέων υψηλής ταχύτητας και έναν ενισχυτή διαμπέδησης σε τεχνολογία BiCMOS, αποδίδοντας αναλογικές αποκρίσεις τύπου σιγμοειδής με δυνατότητα επαναρύθμισης. Η διάταξη επικυρώθηκε εφαρμόζοντας τόσο δομημένες βηματικές όσο και στοχαστικές οπτικές εισόδους, επιβεβαιώνοντας την ικανότητά της να διατηρεί την ακεραιότητα του σήματος και σταθερή δυναμική συμπεριφορά. Οι πειραματικές μετρήσεις ανέδειξαν λειτουργία σε εύρος ζώνης άνω των 10 GHz, με κατανάλωση ενέργειας ανά bit από 24 έως 36 pJ/bit. Το τρίτο υποσύστημα αποτελεί έναν μονολιθικά ολοκληρωμένο οπτικό ενισχυτή βασισμένο σε κυματοδηγό οξειδίου του αργιλίου εμπλουτισμένου με ιόντα ερβίου, κατασκευασμένο απευθείας σε πλατφόρμα Si3N4. Αναπτύχθηκε για να αντισταθμίζει την υποβάθμιση σήματος και να αποκαθιστά τηνισχύ σε σύνθετα φωτονικά chips με πολλαπλά επιμέρους στοιχεία επί του chip, οργανωμένασε πολυσταδιακές ή πολυεπίπεδες αρχιτεκτονικές και με υποστήριξη πυκνής πολυπλεξίας κατά μήκος κύματος (WDM). Ο ενισχυτής επέδειξε εσωτερική οπτική ενίσχυση 1.44 dB/cmστα 1532 nm και επέτρεψε μετάδοση δεδομένων υψηλής ταχύτητας σε πολλαπλές WDM διαμορφώσεις, φθάνοντας συνολικό ρυθμό έως 480 Gb/s. Πειράματα στατικής και δυναμικής λειτουργίας επιβεβαίωσαν την απόδοσή του σε ευρυζωνικά, πολυκαναλικά περιβάλλοντα. Συνολικά, τα τρία υποσυστήματα παρέχουν ένα αρθρωτό και πειραματικά τεκμηριωμένο υπόβαθρο για την ανάπτυξη πολυεπίπεδων φωτονικών νευρωνικών αρχιτεκτονικών. Η προσέγγιση σχεδίασης δίνει έμφαση στην πρακτική ενσωμάτωση και τη διαλειτουργικότητα των σημάτων μεταξύ των υπομονάδων, καλύπτοντας κρίσιμες απαιτήσεις για φωτονική υπολογιστική σε καθεστώς συνεπαγωγής. Αν και η πλήρης συνενοποίηση των υποσυστημάτων σε ενιαίο νευρωνικό δίκτυο δεν πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο αυτής της διατριβής, το παρουσιαζόμενο έργο προσφέρει ένα συμβατό και ενεργειακά αποδοτικό σύνολο δομικών μονάδων πουικανοποιεί τις λειτουργικές απαιτήσεις των νευρομορφικών φωτονικών συστημάτων. Τέλος, η συνεισφορά της διατριβής θέτει τις βάσεις για μελλοντική συνενοποίηση, αξιολόγηση σε επίπεδο συστήματος και ανάπτυξη επαναρυθμιζόμενων, υψηλής απόδοσης φωτονικών υποσυστημάτωνγια προχωρημένες υπολογιστικές εφαρμογές.