Los procesadores neuromórficos fotónicos prometen cálculos rápidos y energéticamente eficientes, pero las líneas de retardo compactas siguen siendo un cuello de botella. Junto a este trabajo, en el archivo se encuentran investigaciones sobre caos en cristales, resonancias de túnel y ordenadores de depósito ópticos basados en vapores de cesio; sin embargo, todos ellos usan bobinas de fibra voluminosas o buffers digitales que no conservan la fase óptica. Este trabajo se sitúa aparte: es el primero que integra en el bucle de realimentación una espiral de silicio pasiva, fabricada en una planta estándar, y la prueba en tareas computacionales reales.
En la planta de LIGENTEC, según la plataforma AN350, se fabricó un chip de nitruro de silicio con ocho espirales de Arquímedes en serie. Cada espiral tiene una longitud de aproximadamente 0,22 metros, y el camino óptico total alcanza 1,76 metros con un índice de refracción de grupo de 1,981, lo que da un retardo calculado de 11,63 nanosegundos. El chip se insertó en el bucle de realimentación de un depósito optoelectrónico: un láser continuo de 1553 nm se modula mediante un modulador electroóptico de Mach-Zehnder, la luz atraviesa la espiral, incide en un fotodetector y la señal eléctrica regresa al modulador. El único nodo no lineal se despliega en 50 neuronas virtuales mediante multiplexación temporal con un paso de 20,48 nanosegundos. Los hiperparámetros se optimizaron mediante búsqueda bayesiana directamente en el montaje, y el entrenamiento se limitó a una capa de salida lineal.
Con una ganancia de realimentación G = 0,0223, que es 40 veces inferior a los valores típicos, el sistema clasificó sin errores señales sinusoidales y rectangulares (WER = 0 en todos los pliegues, mejor NMSE = 0,074). La predicción de la serie caótica de Mackey-Glass alcanzó un NMSE = 0,0082, solo un 8% peor que el mejor resultado optoelectrónico con G cercano a 1. El reconocimiento de nueve locutores de vocales japonesas dio un WER = 0,0898, que es el doble de bueno que el anterior procesador de speckle y solo 2,5 puntos porcentuales peor que una línea de retardo digital con una ganancia 23 veces mayor. Además, se introdujo un método de codificación de fase por subportadora: el alias intencional de una señal de 10 MHz a una frecuencia de muestreo de 976,6 kHz permitió usar la diferencia de fase entre la espiral y el guiador recto (0,232π) como recurso computacional, logrando un NMSE = 0,0767 y un WER = 0 sin aumentar la ganancia.
Este trabajo se distingue de las investigaciones vecinas porque es el primero que emplea una línea de retardo integrada pasiva de nitruro de silicio dentro del bucle de un ordenador de depósito, en lugar de fibra, buffer digital o estructura resonante. Esto demuestra que incluso con pérdidas de 23,2 dB y una ganancia de 0,0223 se pueden mantener cálculos útiles, y que la información de fase del camino óptico se convierte en un canal de codificación adicional, inaccesible para los buffers digitales.
El siguiente paso es evidente: reducir las pérdidas excesivas de 23,2 dB a unos pocos decibelios, lo que permitiría aumentar la ganancia y probablemente mejorar la precisión. Versiones más integradas podrían combinar láser, modulador y detector en un solo chip, y el método de codificación de fase abre el camino a nuevas arquitecturas donde la fase se utilice directamente para el procesamiento de señales.
Los resultados influirán en el desarrollo de aceleradores fotónicos compactos para tareas de series temporales, reconocimiento de voz y clasificación rápida de señales, especialmente donde importan el tamaño reducido y el bajo consumo energético.
Fabricar una segunda generación del chip con menores pérdidas y probarlo en tareas más complejas, incluido el procesamiento de señales en línea en tiempo real.
Para la fotónica, el problema clave no resuelto es la integración de retardos pasivos con bajas pérdidas y conservación de la fase. Este trabajo muestra que incluso con las pérdidas actuales los cálculos son posibles, pero sigue abierta la cuestión del escalado máximo de estas líneas en el chip sin una caída crítica de la relación señal-ruido.
La espiral de Arquímedes utilizada en el chip lleva el nombre del matemático griego antiguo que la describió en el siglo III a. C. para resolver el problema de la trisección del ángulo. Ahora la misma geometría comprime 1,76 metros de camino óptico en unos pocos milímetros cuadrados.
La idea de la computación de depósito con retardo recuerda a las redes neuronales 'líquidas' de la novela de Greg Egan 'La ciudad de los permutantes', donde los sustratos computacionales usan retardos temporales para procesar información sin elementos lógicos tradicionales.