多面光波変換型スケーラブル光演算回路の創成と深層ニューラルネットワーク応用

• Project/Area Number: 21K18168
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 種村 拓夫 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (90447425)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2024: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2023: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2022: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2021: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000)
• Keywords: 光集積デバイス / ニューラルネットワーク / 集積フォトニクス

Outline of Research at the Start

将来のユビキタスAI時代においては，深層ニューラルネットワーク（DNN）による演算を省電力に行う技術が求められる．DNNの線形処理部に光集積回路を用いることで，チップ内を光が伝搬するだけで演算が完了する究極的に低消費電力かつ低遅延の演算が可能になる．本研究では，従来手法と異なる多面光波変換法に基づくスケーラブルな光ユニタリ変換回路を用いることで，この線形行列演算を光領域で高速に実現することを目的とする．本技術が実現すれば，DNNに加え，光通信，イメージング，量子演算など広範な分野への応用展開が期待される．

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、多面光波変換法に基づくスケーラブルな光ユニタリ変換回路を用いることで、任意の線形行列演算を光領域で高速に実現することを目的とする。このような回路を深層ニューラルネットワークの線形処理部に適用することで、チップ内を光が伝搬するだけで演算が完了する究極的に低消費電力かつ低遅延な処理が可能になる。具体的には、数ミリ角の半導体チップ内に多数の光回折部と光位相シフタ部を高密度に集積し、光の回折と波面制御を繰り返すことで任意の線形演算を行う。従来手法とは本質的に異なり、チップ内での光の回折現象を直接利用することで、光波の空間並列性のメリットを最大限活かしながら、作製誤差に対してもロバストな、真にスケーラブルな光演算回路を実現することを目指している。
2023年度は、前年度までに設計・試作した光回路を駆動・制御するための実装部と電子回路部を完成させ、深層ニューラルネットワークの実験を開始した。まず、大量の電極を同時に駆動する際に出力電圧が不安定になる問題の原因を突き止め、スナバ回路による補償回路を挿入することで安定化させた。また、光回路の温度制御機能を改善するために、サーミスタとペルチェ素子を取り付け自作の温度調整素子を作製し、汎用コントローラにより精密に制御することに成功した。さらに、光受信回路にトランスインピーダンス増幅回路を導入することで、検出感度を大幅に改善し、学習効率を向上させた。以上の改善を踏まえ、全ての光位相シフタ部を動作させることで、機械学習が行えることを確認した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

最終目標である光演算回路を用いた深層ニューラルネットワークの実験実証に向けて、順調に準備を進められた。光回路上の大量の光位相シフタと光検出部の駆動・制御を行う上で、電子回路内の発振や光素子の発熱に伴う温度変動など、当初予期していなかった様々な問題が発生したが、一つずつの問題を入念に調べて解決することで、基本的な動作確認に成功した。

Strategy for Future Research Activity

これまでの成果に基づき光演算回路の実証実験を進めることで、MNISTデータセットを用いた手書き文字認識など、ベンチマークタスクを実証する。これにより、従来構成に比べて光位相シフタの数を大幅に削減したスケーラブルな特性を実証し、最終目標を達成する。

Research Products

• [Journal Article] Lower-depth programmable linear optical processors (2024)
  • Author(s): Tang Rui、Tanomura Ryota、Tanemura Takuo、Nakano Yoshiaki
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 21 Issue: 1 Pages: 014054-014054
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.21.014054
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Demonstration of Error-Tolerant Integrated Optical Processors Based on Multi-Plane Light Conversion (2023)
  • Author(s): Tanomura Ryota、Tang Rui、Tanemura Takuo、Nakano Yoshiaki
  • Journal Title: IEEE Photonics Technology Letters Volume: 35 Issue: 23 Pages: 1275-1278
  • DOI: 10.1109/lpt.2023.3315781
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] All-Optical MIMO Demultiplexing Using Silicon-Photonic Dual-Polarization Optical Unitary Processor (2023)
  • Author(s): Tanomura Ryota、Tang Rui、Soma Go、Ishimura Shota、Tanemura Takuo、Nakano Yoshiaki
  • Journal Title: Journal of Lightwave Technology Volume: 41 Issue: 12 Pages: 3791-3796
  • DOI: 10.1109/jlt.2023.3276003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Iterative Configuration of Programmable Unitary Converter Based on Few-Layer Redundant Multiplane Light Conversion (2023)
  • Author(s): Taguchi Yoshitaka、Wang Yunzhuo、Tanomura Ryota、Tanemura Takuo、Ozeki Yasuyuki
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 19 Issue: 5 Pages: 054002-054002
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.19.054002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] スケーラブルなユニタリ変換光回路とその応用 (2023)
  • Author(s): 種村拓夫, 田之村亮太, 唐睿, 中野義昭
  • Journal Title: レーザー研究 Volume: 51 Pages: 619-623
• [Journal Article] Multi-wavelength dual-polarization optical unitary processor using integrated multi-plane light converter (2023)
  • Author(s): R. Tanomura, T. Tanemura, Y. Nakano
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Issue: SC Pages: SC1029-SC1029
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acab70
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Scalable and Robust Photonic Integrated Unitary Converter Based on Multiplane Light Conversion (2022)
  • Author(s): Tanomura Ryota、Tang Rui、Umezaki Toshikazu、Soma Go、Tanemura Takuo、Nakano Yoshiaki
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 17 Issue: 2 Pages: 024071-024071
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.17.024071
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ten-port unitary optical processor on a silicon photonic chip (2021)
  • Author(s): Rui Tang, Ryota Tanomura, Takuo Tanemura, and Yoshiaki Nakano
  • Journal Title: ACS Photonics Volume: 8 Issue: 7 Pages: 2074-2080
  • DOI: 10.1021/acsphotonics.1c00419
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Integrated InP optical unitary converter with compact half-integer multimode interferometers (2021)
  • Author(s): Ryota Tanomura, Rui Tang, Takuo Tanemura, and Yoshiaki Nakano
  • Journal Title: Optics Express Volume: 29 Issue: 26 Pages: 43414-43420
  • DOI: 10.1364/oe.443227
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Scalable programmable photonic circuits for optical computing (2024)
  • Author(s): T. Tanemura
  • Organizer: International Symposium on Photonic Computing
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Scalable programmable photonic circuits based on multiplane light conversion (2023)
  • Author(s): T. Tanemura
  • Organizer: Optics and Photonics Japan
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 多面光波変換に基づくスケーラブルなプログラマブル光演算回路 (2023)
  • Author(s): 種村拓夫
  • Organizer: 応用物理学会量子エレクトロニクス研究会
  • Invited
• [Presentation] Photonic integrated unitary processor based on multiplane light conversion for computing and communication (2023)
  • Author(s): T. Tanemura
  • Organizer: International Conference on Photonics in Switching and Computing
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Integrated multiplane light conversion and metasurface devices for highly parallelized optical processing (2023)
  • Author(s): T. Tanemura
  • Organizer: IEEE Photonics Society Summer Topicals Meeting Series
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 光演算と情報処理に向けたシリコンフォトニクス回路 (2023)
  • Author(s): 唐睿, 田之村亮汰, 種村拓夫, 岡野誠, トープラサートポン・カシディット, 中野義昭, 高木信一, 竹中充
  • Organizer: 電子情報通信学会光集積及びシリコンフォトニクス特別研究専門委員会
  • Invited
• [Presentation] 余剰段構造による多面光波変換型ユニタリ変換器の高速な構成法 (2023)
  • Author(s): 田口富隆, 王允卓, 田之村亮汰, 種村拓夫, 小関泰之
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋期学術講演会
• [Presentation] 多面光変換型ニューラルネットワーク光集積チップの基本特性評価と制御系の構築 (2023)
  • Author(s): 一野瀬知輝, 田之村亮汰, 種村拓夫, 中野義昭
  • Organizer: 電子情報通信学会光エレクトロニクス研究会
• [Presentation] Error-tolerant integrated optical unitary processor based on multi-plane light conversion (2023)
  • Author(s): R. Tanomura, R. Tang, T. Tanemura, Y. Nakano
  • Organizer: Optical Fiber Communication Conference (OFC’23)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 多面光変換法に基づく集積光非ユニタリ変換器 (2023)
  • Author(s): 唐睿, 田之村亮汰, 種村拓夫, 中野義昭
  • Organizer: 第70回応用物理学会春期学術講演会
• [Presentation] Optical unitary conversion of multi-wavelength dual-polarization channels using integrated multi-plane light converter (2022)
  • Author(s): R. Tanomura, T. Tanemura, and Y. Nakano
  • Organizer: International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] All-optical dual-polarization MIMO processor based on integrated optical unitary converter (2022)
  • Author(s): R. Tanomura, R. Tang, G. Soma, S. Ishimura, T. Tanemura, and Y. Nakano,
  • Organizer: European Conference on Optical Communication (ECOC’22)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optical neural network with reduced phase shifters using multi-plane light conversion (2022)
  • Author(s): R. Tanomura, K. Mizukami, R. Tang, G. Soma, T. Tanemura, Y. Nakano
  • Organizer: 27th OptoElectronics and Communications Conference / International Conference on Photonics in Switching and Computing 2022 (OECC/PSC’22)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Error-tolerant integrated optical neural network processor based on multi-plane light conversion (2022)
  • Author(s): R. Tanomura, K. Mizukami, R. Tang, G. Soma, T. Tanemura, and Y. Nakano
  • Organizer: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO’22)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental demonstration of error-tolerant optical unitary converter (2022)
  • Author(s): R. Tanomura, R. Tang, T. Tanemura, and Y. Nakano
  • Organizer: Photonic Device Workshop (PDW)
• [Presentation] Photonic integrated unitary processor based on multi-plane light conversion (2022)
  • Author(s): T. Tanemura, R. Tang, R. Tanomura, Y. Nakano
  • Organizer: Optical Fiber Communication Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 多面光波変換法によるロバストな集積光ニューラルネットワークの検討 (2022)
  • Author(s): 田之村亮汰，水上慧吾，唐睿，相馬豪，種村拓夫, 中野義昭
  • Organizer: 第69回応用物理学会春期学術講演会
• [Presentation] 半整数多モード干渉カプラによる小型集積InP光ユニタリ変換器 (2022)
  • Author(s): 田之村亮汰，唐睿，種村拓夫，中野義昭
  • Organizer: 第69回応用物理学会春期学術講演会
• [Presentation] Integrated optical unitary converter based on nonuniform multimode interference coupler (2021)
  • Author(s): R. Tanomura, R. Tang, T. Tanemura, Y. Nakano
  • Organizer: IEEE Photonics Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Demonstration of 10-port integrated optical unitary converter (2021)
  • Author(s): R. Tang, R. Tanomura, T. Tanemura, Y. Nakano
  • Organizer: Photonics in Switching and Computing
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Robustness analysis of generalized optical unitary converter (2021)
  • Author(s): R. Tanomura, R. Tang, T. Tanemura, Y. Nakano
  • Organizer: IEEE Summer Topicals Meeting Series
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 非等分配型多モード干渉カプラによる小型InP光ユニタリ変換器の実証 (2021)
  • Author(s): 田之村亮汰，唐睿，種村拓夫，中野義昭
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋期学術講演会
• [Presentation] 10 ポート光集積ユニタリ変換器の実証 (2021)
  • Author(s): 唐睿, 田之村亮汰, 種村拓夫, 中野義昭
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋期学術講演会,