KIP-Veröffentlichungen

Die wachsenden rechnerischen Anforderungen an KI, insbesondere in neuronalen Netzen, erfordern effiziente Hardwarelösungen für Aufgaben wie die Matrix-Vektor- Multiplikation (MVM) und die Bildverarbeitung. Traditionelle elektronische Systeme stoßen an ihre Grenzen hinsichtlich Geschwindigkeit und Energieeffizienz, was die Erkundung photonischer Computer als Alternative notwendig macht. Photonische Kreuzstabsysteme, die eingehende optische Signale gewichten, um Berechnungen durchzuführen, bieten eine vielversprechende Architektur. Allerdings ist es für eine praktische Implementierung entscheidend, die wesentlichen Komponenten innerhalb dieser Systeme für niedrige Einfügeverluste zu optimieren. Diese Dissertation untersucht und optimiert passive Komponenten—Grating Couplers (GCs), die eine Schnittstelle zu on-chip und off-chip optischen Signalen bilden; Multimode Interferometer (MMIs), die zur optischen Leistungsaufteilung eingesetzt werden; undWellenleiterübergänge, die sich kreuzendenWellenleitern verbinden—auf einer Siliziumnitrid (Si3N4)-Plattform, die bei 1550 nm arbeitet. Durch Parameter- Sweep-Techniken konnte ich die Kopplungseffizienz der GCs um 4 dB verbessern, eine optimierte Methode zur Reduzierung der Simulationszeit von MMIs einführen und einen kompakten Wellenleiterübergang mit nur 0,063 dB Verlust entwickeln. Darüber hinaus wandte ich die adjungierte Formoptimierung (ASO) an, um den MMI-Verlust effizient um 0,1 dB zu senken und den Verlust desWellenleiterübergangs auf 0,049 dB zu verbessern. Diese Ergebnisse zeigen das Potenzial von verlustarmen Komponenten für photonische Hardware und bieten einen Weg zu einer skalierbareren und energieeffizienteren MVM-Operation.

The increasing computational demands of AI, particularly in neural networks, require efficient hardware solutions for tasks like matrix-vector multiplication (MVM) and image processing. Traditional electronic systems face speed and energy efficiency limitations, leading to exploring photonic computing as an alternative. Photonic crossbar arrays, which weight input optical signals to perform computations, offer a promising architecture. However, optimizing key components within these arrays for low insertion loss is essential for practical implementation. This thesis studied and optimized these passive components—grating couplers (GCs), which interface with on-chip and out-chip optical signals; multimode interferometers (MMIs), used for optical power splitting; and waveguide crossings, which connect intersecting waveguides—on a silicon nitride (Si3N4) platform operating at 1550 nm. Using parameter sweep techniques, I improved GC coupling efficiency by 4 dB, introduced a streamlined method to reduce MMI simulation time, and developed a compact waveguide crossing with just 0.063 dB loss. Additionally, I applied adjoint shape optimization (ASO) to efficiently reduce MMI loss by 0.1 dB and improve waveguide crossing loss to 0.049 dB. These results demonstrate the potential of low-loss components for photonic hardware, offering a pathway to more scalable and energy-efficient MVM operation.