Les processeurs neuromorphiques photoniques promettent des calculs rapides et économes en énergie, mais les lignes à retard compactes restent un goulot d'étranglement. À côté de ce travail, des études sur le chaos dans les cristaux, les résonances tunnel et les ordinateurs réservoir optiques à vapeur de césium sont déposées dans les archives, mais toutes utilisent soit des bobines de fibre encombrantes, soit des tampons numériques qui ne préservent pas la phase optique. Ce travail se distingue : il est le premier à intégrer une spirale de silicium passive, fabriquée en fonderie standard, dans la boucle de rétroaction, et à la tester sur des tâches de calcul réelles.
À la fonderie LIGENTEC, sur la plateforme AN350, une puce en nitrure de silicium a été fabriquée avec huit spirales d'Archimède en série. Chaque spirale mesure environ 0,22 mètre de long, et le chemin optique total atteint 1,76 mètre avec un indice de groupe de 1,981, ce qui donne un délai calculé de 11,63 nanosecondes. La puce a été insérée dans la boucle de rétroaction d'un réservoir optoélectronique : un laser continu à 1553 nm est modulé par un modulateur électro-optique de Mach-Zehnder, la lumière traverse la spirale, atteint un photodétecteur, et le signal électrique revient au modulateur. Le seul nœud non linéaire se déploie en 50 neurones virtuels grâce au multiplexage temporel avec un pas de 20,48 nanosecondes. Les hyperparamètres ont été optimisés par recherche bayésienne directement sur le banc, et l'apprentissage se limitait à la couche de sortie linéaire.
Avec un gain de rétroaction G = 0,0223, soit 40 fois inférieur aux valeurs typiques, le système a classifié sans erreur des signaux sinusoïdaux et carrés (WER = 0 sur tous les plis, meilleur NMSE = 0,074). La prédiction de la série chaotique de Mackey-Glass a atteint NMSE = 0,0082, soit seulement 8 % de moins que le meilleur résultat optoélectronique avec G autour de 1. La reconnaissance de neuf locuteurs de voyelles japonaises a donné WER = 0,0898, soit deux fois mieux que le précédent processeur à speckle et seulement 2,5 points de pourcentage de moins qu'une ligne à retard numérique avec un gain 23 fois supérieur. De plus, une méthode de codage de phase par sous-porteuse a été introduite : un aliasing volontaire du signal à 10 MHz avec une fréquence d'échantillonnage de 976,6 kHz a permis d'utiliser la différence de phase entre la spirale et le guide d'onde droit (0,232π) comme ressource de calcul, atteignant NMSE = 0,0767 et WER = 0 sans augmentation du gain.
Ce travail se distingue des études voisines en utilisant pour la première fois une ligne à retard intégrée passive en nitrure de silicium dans la boucle d'un ordinateur réservoir, plutôt qu'une fibre, un tampon numérique ou une structure résonante. Cela prouve que même avec des pertes de 23,2 dB et un gain de 0,0223, des calculs utiles peuvent être préservés, et que l'information de phase du chemin optique devient un canal de codage supplémentaire, inaccessible aux tampons numériques.
La prochaine étape est évidente : réduire les pertes excessives de 23,2 dB à quelques décibels, ce qui permettra d'augmenter le gain et probablement d'améliorer la précision. Des versions plus intégrées pourraient combiner laser, modulateur et détecteur sur une seule puce, et la méthode de codage de phase ouvre la voie à de nouvelles architectures où la phase est utilisée directement pour le traitement du signal.
Les résultats influenceront le développement d'accélérateurs photoniques compacts pour les tâches de séries temporelles, la reconnaissance vocale et la classification rapide de signaux, en particulier là où la taille réduite et la faible consommation d'énergie sont importantes.
Fabriquer une deuxième génération de puce avec des pertes réduites et la tester sur des tâches plus complexes, y compris le traitement de signaux en ligne en temps réel.
Pour la photonique, le problème clé non résolu est l'intégration de délais passifs à faibles pertes et avec préservation de la phase. Ce travail montre que même avec les pertes actuelles, les calculs sont possibles, mais la question de la mise à l'échelle ultime de ces lignes sur puce sans chute critique du rapport signal/bruit reste ouverte.
La spirale d'Archimède utilisée dans la puce porte le nom du mathématicien grec antique qui l'a décrite au IIIe siècle avant notre ère pour résoudre le problème de la trisection de l'angle. Aujourd'hui, la même géométrie comprime 1,76 mètre de chemin optique dans quelques millimètres carrés.
L'idée du calcul réservoir à retard évoque les réseaux de neurones « liquides » du roman de Greg Egan « La Cité des permutants », où des substrats de calcul utilisent des délais temporels pour traiter l'information sans éléments logiques traditionnels.