KIP-Veröffentlichungen

Photonische Faltungsbeschleuniger stellen einen vielversprechenden neuartigen Ansatz für optische faltende neuronale Netzwerke dar, indem sie Multiplikations- und Summationsoperationen optisch durchführen, um die Energieeffizienz zu verbessern. Ein zentrales Prinzip der photonischer Faltungsbeschleuniger ist die Zeit- und Wellenlängen-Verschachtelung: Zwei orthogonale Freiheitsgrade koppeln spektrale Gewichte an eine zeitliche Ordnung. Bisherige Architekturen leiden unter linearer Dispersion, hoher Latenz, Pulsverbreiterung und geringer Skalierbarkeit. In dieser Arbeit präsentiere ich eine auf einem photonischen integrierten Schaltkreis basierende Zeit- und Wellenlängen-Verschachtelung-Architektur auf einer Si3N4-Plattform. Die Architektur weist einen nichtlineareren Dispersionsmechanismus auf, der einen Betrieb mit geringer Latenz ermöglicht, die Pulsverbreiterung durch eine Reduktion der erforderlichen optischen Propagationslänge verringert und eine skalierbare Lösung bereitstellt. Dabei werden Bragg-Gitter und Wellenleiter auf einer Si3N4-Plattform gefertigt, für einen Kernel mit neun Gewichten, der einen Wellenlängenbereich von 1528nm bis 1563nm abdeckt. Die spektrale Genauigkeit der besten Architektur weist eine zentrale Wellenlängenpräzision von (0.33 ± 0.09)nm sowie eine mittlere Bandbreitengenauigkeit von (0.31 ± 0.20)nm auf. Es wurde eine zeitliche Verzögerung von 37.5 ps über alle Kanäle bei einem Verlust von (−2.0 ± 0.6) dB/cm realisiert. Abschließend wurde die Architektur erfolgreich in einem photonischen Faltungsbeschleuniger betrieben, wobei Rechenfehler von Lmean = 0.19 und Lstd = 0.24 für eindimensionale Faltungs-Messungen erzielt wurden.

Photonic Convolutional Accelerators (PCAs) constitute a promising novel approach for optical Convolutional Neural Networks (CNNs), leveraging optical-domain multiply and accumulate operations to improve energy efficiency. A key enabling principle of PCAs is time- and wavelength-interleaving: two orthogonal degrees of freedom are coupled to translate spectrally encoded weights into a temporally ordered computation. Previously realized architectures are limited by linear dispersion, high latency, pulse broadening, and limited scalability. In this thesis, I present a Photonic Integrated Circuit (PIC)-based time- and wavelength-interleaving architecture on a Si3N4-platform. The architecture is investigated and realized, achieving a nonlinear dispersion mechanism that enables low-latency operation while mitigating pulse broadening by reducing the required optical propagation length and providing a scalable solution. Bragg-gratings and interconnecting waveguides were fabricated on a silicon nitride platform to implement a kernel with nine programmable weights, covering a wavelength range from 1528nm to 1563nm. The designed spectral response was achieved with a best average center-wavelength accuracy of (0.33 ± 0.09)nm and an average bandwidth accuracy of (0.31 ± 0.20)nm. A temporal delay of 37.5 ps across nine different channels was realized at a propagation loss of (−2.0±0.6) dB/cm. The architecture was successfully operated in a PCA, yielding normalized computation errors of Lmean = 0.19 and Lstd = 0.24 for one-dimensional convolutions.