Reservoir computing optique utilisant des lasers hybrides III-V/nitrure de silicium – ORCHID

La réalisation des cavités laser hybrides utilisées dans le projet ORCHID nécessite la conception et la fabrication de puce SiN et de RSOA adaptées pour permettre l’aboutement de ces puces et réaliser les reservoir computers.

La conception, la fabrication et les caractérisations des puces en nitrure de silicium (SiN) utilisées dans les assemblages hybrides a été faite sur deux plateformes du CEA-LETI : celle basée sur une épaisseur de SiN de 800 nm pour les cavités laser prévues à 1550 nm, et celle basée sur une épaisseur de 300 nm pour les cavités lasers prévues à 965 nm. Cette seconde plateforme a été utilisée à cause de l’impossibilité de fabriquer les adaptateurs de mode à 965 nm avec une épaisseur de SiN de 800 nm.

La conception, la fabrication et la caractérisation des RSOA à 965 nm a été réalisée au III-V lab. La casse du bâti d’épitaxie utilisé pour la fabrication juste avant le démarrage du projet a induit un retard très important sur les fabrications mais celle-ci ont pu être réalisées. En attendant la mise en œuvre d’un bâti de remplacement, une première fabrication a été faite avec des épitaxies déjà disponible, même si moins adaptées au projet. Ces RSOA ont été utilisés pour les premiers tests d’hybridation. Lors de ces tests nous avons pu identifier la difficulté de réalisation des assemblages hybrides à 965 nm, ne réussissant pas à faire les cavités laser multimodes nécessaires au projet.

Pour les reservoir computers à 1550 nm, le III-V lab a sélectionné des RSOA adaptés à la réalisation de cavités laser hybrides à partir de fabrications faites pour des projets précédents. Les cavités laser conçues pour ORCHID sont peu surtendues afin de faciliter l’extraction et l’injection de signaux dans la cavité. Des RSOA capables de fournir à la fois des gains importants (environ 45 dB) et de fortes puissances sont nécessaires.

L’assemblage des cavité hybrides à 965 nm et à 1500 nm a été faite par le III-V lab. La conception de ces assemblages est basée sur une technique développée lors de projets précédents. Si pour les assemblages à 1550 nm la réalisation des assemblages n’a pas présenté de difficulté, la réalisation des assemblages à 965 nm a rapidement montré la plus grande sensibilité des réalisations aux désalignement des puces. Les pertes optiques importantes à l’interface entre les puces SiN et RSOA n’ont pas permis d’obtenir le fonctionnement multimode nécessaire pour la réalisation des reservoir computers prévus dans ORCHID.

Telecom SudParis et FEMTO-ST ont défini les cas d’usage pour l’évaluation des différentes architectures de reservoir computer du projet. Ils ont développé les différents bancs de test nécessaire permettant l’injection et la mesures des signaux optiques ainsi que contrôle des resrevoir computers. FEMTO-ST a conduit avec succès des tests de reservoir computer en utilisant des lasers Fabry-Pérot à grande surface permettant de valider les concepts du projet ORCHID.

Le principal résultat technique du projet ORCHID est la réalisation du premier laser hybride à 965 nm associant un RSOA sur substrat GaAs avec une puce SiN. Cette première réalisation montre l’intérêt des assemblages hybrides à plus courte longueur d’onde. Elle a aussi montré la difficulté de réalisation de ces assemblages. En effet la réduction de la longueur d’onde induit une réduction significative de la taille des modes optiques, c qui réduit la tolérance au désalignement. C’est un point critique pour la faisabilité et la fiabilité des assemblages. Pour les travaux futurs, il faut retravailler la conception des modes optiques des deux puces (élargir ces modes) afin de résoudre ce problème.

ORCHID a permis de fabriquer des puce SiN adaptées aux longueurs d’ondes plus courtes (ici 965 nm), permettant de réaliser des adaptateurs de mode adaptés aux fibres optiques (780 HP) et aussi de réaliser des réseaux de Bragg pour un fonctionnement à 965 nm. Ce dernier point est une avancé majeur parce que la maitrise de ces structures implique une précision et une maitrise de la fabrication excellente. En effet ces réseaux ne sont pas proposés par les plateformes de fabrication multi-projet (runs MPW) car trop proches des limites de fabrication comme nous avons pu l’expérimenter lors de la fabrication des puces à 1550 nm.

ORCHID a montré la conception et la fabrication de RSOA sur substrat GaAs pour un fonctionnement à 965 nm. Leurs performances sont bonnes avec un gain jusqu’à 40 dB à 300 mA et une puissance d’ASE proche de 250 mW à 500 mA. Le fort gain disponible a permis de réaliser un laser hybride malgré les très importantes pertes de couplage entre les puces (estimées autour de 12 dB).

La réalisation de 6 assemblages de lasers hybrides à 1550 nm a montré la bonne maitrise de la technique d’assemblage. Les lasers réalisés ont de très bonnes performances (courants de seuils faibles, pertes d’aboutement maitrisées, génération possible d’un grand nombre de fréquences optiques). Par contre ces performances ne sont pas forcément adaptées au projet ORCHID, parce que nous avons dû utiliser des puces fabriquées pour des projets précédents à cause de la mauvaise conception des puces ORCHID.

ORCHID a permis la caractérisation de la dynamique d'un laser à semiconducteur longitudinalement multimodal soumis à une injection optique modulée de manière ultra-rapide, et d’établir les conditions de fonctionnement requises pour le calcul par réservoir avec ces dispositifs. Le consortium a ainsi posé avec succès les bases de travaux futurs prometteurs dans cette direction.

ORCHID a permis de démontrer la faisabilité de composants hybrides pour un fonctionnement autour de 965 nm. Mais, la difficulté de ces assemblages est bien plus élevée que pour les longueurs d’ondes plus grande (1550 nm) à cause de la réduction des tolérances d’alignement lors de l’aboutement des RSOA avec les puces SiN. La conception des RSOA doit être revue entièrement pour agrandir la taille du mode optique en sortie du composant et augmenter les tolérances d’alignement entre les puces. Néanmoins, la fonctionnalité de la plateforme SiN 300nm du CEA-LETI pour la réalisation de composants hybrides est très importante, non seulement pour les applications autour de l’IA mais aussi pour les applications quantiques parce qu’elle permet un fort gain de compacité pour la réalisation de lasers à très grande finesse spectrale pour les longueurs d’ondes courte (gamme 900 à 1000 nm).

L’utilisation de l’optique pour la réalisation de fonctions de machine learning repose sur la rapidité, le parallélisme et la faible consommation offerte par les technologies d’intégrations photoniques ORCHID visait à développer le cœur d’un reservoir computer basé sur une cavité laser hybride. Mais dès l’élaboration du projet, la possibilité d’intégrer des fonctions de modulation pour injecter les signaux dans le reservoir computer et pour construire les signaux de sortie a été vu comme un atout majeur de ce type d’implémentation. Les progrès récents des plateformes intégrant du niobate de lithium en couche mince (TFLN) sur des puces silicium montrent la pertinence de cette approche. A assez court terme, un ajustement des conceptions de reservoir computeur faites dans le projet pourrait être réalisé pour tenir compte de couches d’entrée et sortie basée sur ces plateformes de modulations et implémenter ainsi un reservoir computer complet.

Les réseaux de neurones artificiels sont utilisés dans un nombre grandissant d’applications. Mais ils sont le plus souvent émulés sur des ordinateurs, ce qui est contradictoire avec les nécessités actuelles de sobriété énergétique. Leurs implémentations électroniques, même si elles présentent des avancées significatives en termes de puissance de calcul, intégration et consommations énergétiques, restent très gourmandes. Par contre, leurs implémentations optiques sont très prometteuses car elle tire avantage de la très grande rapidité des composants optiques, de leur potentiel pour le traitement de signaux en parallèle (multiplexage en longueur d’onde), et de la très grande diversité de non linéarités disponibles. En se basant sur l’aboutement d’une puce optique en nitrure de silicium avec un composant actif en matériaux III-V, ORCHID veut développer une plateforme d’intégration hybride capable d’accueillir des réseaux neuronaux très grands. Son optimisation lors du projet (longueurs d’ondes de fonctionnement, gestion de la puissance, rendement) débloquera les limites actuelles d’intégration et en fera un support idéal pour les futurs très grands réseaux de neurones artificiels. Pour cela, ORCHID testera deux gammes de longueurs d'ondes:
- les longueurs d'ondes télécom autour de 1.55µm pour lesquels nous avons déjà réalisé avec succès des lasers hybrides en aboutant une puce III-V avec une puce en nitrure de silicium,
- le proche infrarouge autour de 900nm afin de tirer avantage de l'efficacité énergétique qui est plus que doublée à ces longueurs d'ondes en comparaison aux longueurs d'onde télécom.
Nous serons ainsi en capacité dévaluer au mieux le gain potentiel lié au changement de longueur d'onde. Nous pourrons alors orienter les futures recherches pour le développement complet de réseaux de neurone optiques à très grande efficacité.
De plus, les objets proposés dans ORCHID sont compatible avec la mise en module (développements réalisés au court d’un projet précédent financé par la DGA) et ils se basent sur la plateforme multi projet SiN-Photonics IC Si3N4-800 du CEA-LETI. Même si ce travail n'a pas pu être inclus dans ORCHID, cette plateforme est compatible avec l'implémentation de la couche de sortie (couche de lecture) de ces réseaux de neurone. Il sera ainsi possible, à la suite du projet ORCHID, de rapidement développer des réseaux de neurones optiques entièrement intégrés et à très grande efficacité énergétique.
Enfin, le CEA-LETI et le III-V Lab sont en capacité de produire des volumes modérés de composants pour permettre à des acteurs économiques de type "fabless" de proposer rapidement des produits basés sur les développements d'ORCHID. De même, ils ont déjà démontré avec succès par le passé leurs capacités à transférer des technologies à des fonderies capables d'assurer des volumes de production plus importants. ORCHID contribuera ainsi à mettre en place toutes les conditions pour l'émergence d'une activité industrielle sur les réseaux de neurones optiques.