3D optical interconnect networks for neuromorphic computational applications

Abstract

Optical waveguides are promising candidates for next-generation integrated systems that feature parallel interconnects such as neuromorphic photonic computational hardware, an important emerging technology in the field of artificial intelligence. However, parallel waveguide systems fabricated via traditional two-dimensional lithography, are bound by unfavorable scaling and, consequently, are strongly limited in size. Two-photon polymerization (TPP), as a three-dimensional lithography technique, enables the microfabrication of complex 3D polymer structures, allowing superpositions not achievable by planar technologies, reducing the footprint of interconnected systems and enabling higher density of interconnects. In this work, the role of the voxel trajectory in the outcome of TPP fabrication is systematically studied, opening the way to the fabrication of mechanically challenging free-standing 3D polymer waveguides in Ormocore (n ≈ 1.5), achieving lengths of up to 900 µm and heights ranging from 30 to 80 µm. The reported waveguides present optical losses of 3.71 ± 0.27 dB mm−1 at λ = 830 nm. Moreover, the 3D waveguides are capable of being stacked in the normal direction to the substrate without intersecting, and to be combined together to build 3D optical splitters capable of routing light from a single input to multiple outputs (up to four), features that are useful in neural network implementations. Finally, in this work, the TPP process is combined with semiconductor photonics technology, by aligning and fabricating 3D waveguides on nanostructured GaAs semiconductor based photonic dies, with the aim of constructing a proof of concept system consisting of two optically interconnected micro-LEDs that can serve as a building block for future integrated photonic neuromorphic systems.

Guias de ondas óticos são candidatos promissores para sistemas integrados de próxima geração que apresentam interconexões em paralelo como em hardware computacional fotónico neuromórfico, uma importante tecnologia emergente no campo da inteligência artificial. No entanto, os sistemas de guia de ondas em paralelo fabricados por meio da litografia bidimensional tradicional são limitados por uma escala desfavorável e, consequentemente, são fortemente limitados em espaço. A polimerização de dois fotões (TPP), como uma técnica de litografia tridimensional, permite a microfabricação de estruturas 3D complexas em polímero, permitindo superposições não alcançáveis por tecnologias planares, reduzindo o tamanho de sistemas interconetados e permitindo uma maior densidade de interconexões. Neste trabalho, o papel da trajetória do voxel no resultado da fabricação através de TPP é sistematicamente estudado, abrindo o caminho para a fabricação de guias de ondas 3D mecanicamente desafiadores, de polímero Ormocore (n ≈ 1.5), atingindo comprimentos até 900 µm e alturas desde 30 até 80 µm. Os guias de ondas aqui reportados apresentam perdas óticas de 3.71 ± 0.27 dB mm−1 para um comprimento de onda λ = 830 nm. Para além disso, os guias de ondas 3D podem ser empilhados na direção normal ao substrato sem se cruzarem, e combinados para construir divisores ópticos 3D capazes de direcionar luz de uma única entrada para várias saídas (até quatro), funcionalidades que são úteis na implementação de redes neurais. Finalmente, o processo TPP é combinado com a tecnologia fotónica de semicondutores, através do alinhamento e fabricação de guias de ondas 3D em chips fotónicos baseados em semicondutor arsenieto de gálio (GaAs) nanoestruturado, tendo como objetivo a construção de um sistema de prova de conceito composto por dois micro-LEDs oticamente interconetados, o que pode vir a servir como bloco de construção básico para futuros sistemas neuromórficos fotónicos integrados.