Complex photonic nonlinear delay dynamics for high performance signal and information processing

International audienceOptoelectronic delayed feedback loops can provide a wide variety of dynamical motions, thanks to their infinite dimensional phase space. When implemented with Telecom grade components, they additionally provide broadband operation, particularly suited for high speed signal and information processing. On the basis on experimental illustration, we will introduce the fundamental nonlinear dynamical properties of photonic delayed feedback systems, from their stable fixed point operation to their high dimensional complex chaotic oscillations, through periodic oscillations. Each of these particular solution will then be further developed to demonstrate advanced information and signal processing capabilities, from secure optical chaos communications at 10Gb/s, to ultra-fast million word per second recognition through neuromorphic computing, through microwave high spectral purity oscillations for radar applications

Photonic nonlinear transient computing with multiple-delay wavelength dynamics

International audienceWe report on the experimental demonstration of a hybrid optoelectronic neuromorphic computer based on a complex nonlinear wavelength dynamics including multiple delayed feedbacks with randomly defined weights. This neuromorphic approach is based on a new paradigm of a brain-inspired computational unit, intrinsically differing from Turing machines. This recent paradigm consists in expanding the input information to be processed into a higher dimensional phase space, through the nonlinear transient response of a complex dynamics excited by the input information. The computed output is then extracted via a linear separation of the transient trajectory in the complex phase space. The hyperplane separation is derived from a learning phase consisting of the resolution of a regression problem. The processing capability originates from the nonlinear transient, resulting in nonlinear transient computing. The computational performance is successfully evaluated on a standard benchmark test, namely, a spoken digit recognition task

Oscillateur Optoélectronique à Base de Résonateur à Mode de Galerie à Très Fort Facteur de Qualité

National audienceLes sources de fréquences à haute pureté spectrale ont toujours fait l'objet d'intenses travaux de recherches compte tenu de leur importance dans plusieurs domaines d'applications. En effet, des telles sources sont largement utilisées dans les systèmes de communications, les radars, les satellites, la métrologie temps-fréquence et dans différentes autres applications où un signal électromagnétique est généré, reçu et traité. Une solution élégante utilisant l'optique pour stabiliser un oscillateur microonde a été démontrée il y une vingtaine d'années [1]. Cette solution, baptisée oscillateurs optoélectroniques (OEO), consiste en l'utilisation d'un élément de retard optique (ex. ligne à retard optique, résonateur optique, etc.) afin de montée en facteur de qualité dans le système de génération de fréquence. En utilisant cette architecture d'OEO avec une ligne à retard optique de 16km de longueur, un signal microonde à 10 GHz ayant un niveau de bruit de phase de -163 dBc/Hz à 7KHz de la porteuse a été démontré [2] [3]. Malgré ces résultats, l'OEO basé sur une ligne à retard optique reste volumineux et difficile à stabiliser thermiquement et mécaniquement. L'idée de remplacer la ligne à retard optique par un résonateur optique a permis de réduire considérablement la taille de l'OEO [2]. On peut notamment citer les mini-résonateurs optiques à mode de galerie (WGM) ayant des diamètres millimétriques et permettant d'atteindre des facteurs de qualité optiques (QOpt) au-delà de 10 9 [3-6]. Actuellement, différentes études théoriques et expérimentales sont menées dans notre laboratoire afin d'améliorer les performances d'un OEO stabilisé sur des résonateurs WGM fabriqués dans notre laboratoire (voir Figure 1). Ces études nous ont permis jusqu'au là de démontrer des niveaux de bruit de phase de l'ordre de -93dBc/Hz et de -90dBc/Hz à une fréquence d'offset de 10kHz de deux porteuses microondes à 6.35 GHz et 12.7GHz respectivement [7]. Ces résultats sont très encourageants et nous visons actuellement d'atteindre des niveaux de bruit plus faibles. Nos études d'amélioration des performances de l'OEO sont aujourd'hui menées sur trois principaux axes: le procès de fabrication des résonateurs WGM avec divers matériaux optiques (CaF2, MgF2, BaF2, LiF etc.) pour la montée en facteur de qualité, le système de couplage de l'onde optique au résonateur et finalement le système stabilisation type Pound-Drever-Hall de la longueur d'onde du laser sur un résonateur optique [9]. Ces études, une fois validées, devraient nous permettre de démontrer un OEO avec des performances à l'état de l'art

Résonateurs optiques à modes de galerie appliqués aux oscillateurs et aux peignes de fréquences

National audienceRésumé Nous avons fabriqué par procédés de polissage des résonateurs optique à modes de galerie en utilisant différents matériaux cristallins (CaF2 et MgF2). Ces résonateurs ont pour finalité première de générer un signal microonde ultra-stable issu d'un oscillateur opto-électronique (OEO). Puis, en s 'appuyant sur les non-linéarités de Kerr, nous générons différents peignes de fréquences optiques dans les résonateurs

demonstration of optoelectronic concept of neuromorphic computer by reservoir computing

Le Reservoir Computing (RC) est un paradigme s’inspirant du cerveau humain, apparu récemment au début des années2000. Il s'agit d'un calculateur neuromorphique habituellement décomposé en trois parties dont la plus importanteappelée "réservoir" est très proche d'un réseau de neurones récurrent. Il se démarque des autres réseaux de neuronesartificiels notamment grâce aux traditionnelles phases d'apprentissage et d’entraînement qui ne sont plus appliquées surla totalité du réseau de neurones mais uniquement sur la lecture du réservoir, ce qui simplifie le fonctionnement etfacilite une réalisation physique. C'est précisément dans ce contexte qu’ont été réalisés les travaux de recherche de cettethèse, durant laquelle nous avons réalisé une première implémentation physique opto-électronique de système RC.Notre approche des systèmes physiques RC repose sur l'utilisation de dynamiques non-linéaires à retards multiples dansl'objectif de reproduire le comportement complexe d'un réservoir. L'utilisation d'un système dynamique purementtemporel pour reproduire la dimension spatio-temporelle d'un réseau de neurones traditionnel, nécessite une mise enforme particulière des signaux d'entrée et de sortie, appelée multiplexage temporel ou encore étape de masquage. Troisannées auront été nécessaires pour étudier et construire expérimentalement nos démonstrateurs physiques basés sur desdynamiques non-linéaires à retards multiples opto-électroniques, en longueur d'onde et en intensité. La validationexpérimentale de nos systèmes RC a été réalisée en utilisant deux tests de calcul standards. Le test NARMA10 (test deprédiction de séries temporelles) et la reconnaissance vocale de chiffres prononcés (test de classification de données) ontpermis de quantifier la puissance de calcul de nos systèmes RC et d'atteindre pour certaines configurations l'état del'art.Reservoir Computing (RC) is a currently emerging new brain-inspired computational paradigm, which appeared in theearly 2000s. It is similar to conventional recurrent neural network (RNN) computing concepts, exhibiting essentiallythree parts: (i) an input layer to inject the information in the computing system; (ii) a central computational layercalled the Reservoir; (iii) and an output layer which is extracting the computed result though a so-called Read-Outprocedure, the latter being determined after a learning and training step. The main originality compared to RNNconsists in the last part, which is the only one concerned by the training step, the input layer and the Reservoir beingoriginally randomly determined and fixed. This specificity brings attractive features to RC compared to RNN, in termsof simplification, efficiency, rapidity, and feasibility of the learning, as well as in terms of dedicated hardwareimplementation of the RC scheme. This thesis is indeed concerned by one of the first a hardware implementation of RC,moreover with an optoelectronic architecture.Our approach to physical RC implementation is based on the use of a sepcial class of complex system for the Reservoir,a nonlinear delay dynamics involving multiple delayed feedback paths. The Reservoir appears thus as a spatio-temporalemulation of a purely temporal dynamics, the delay dynamics. Specific design of the input and output layer are shownto be possible, e.g. through time division multiplexing techniques, and amplitude modulation for the realization of aninput mask to address the virtual nodes in the delay dynamics. Two optoelectronic setups are explored, one involving awavelength nonlinear dynamics with a tunable laser, and another one involving an intensity nonlinear dynamics with anintegrated optics Mach-Zehnder modulator. Experimental validation of the computational efficiency is performedthrough two standard benchmark tasks: the NARMA10 test (prediction task), and a spoken digit recognition test(classification task), the latter showing results very close to state of the art performances, even compared with purenumerical simulation approaches

Démonstration opto-électronique du concept de calculateur neuromorphique par Reservoir Computing

Reservoir Computing (RC) is a currently emerging new brain-inspired computational paradigm, which appeared in theearly 2000s. It is similar to conventional recurrent neural network (RNN) computing concepts, exhibiting essentiallythree parts: (i) an input layer to inject the information in the computing system; (ii) a central computational layercalled the Reservoir; (iii) and an output layer which is extracting the computed result though a so-called Read-Outprocedure, the latter being determined after a learning and training step. The main originality compared to RNNconsists in the last part, which is the only one concerned by the training step, the input layer and the Reservoir beingoriginally randomly determined and fixed. This specificity brings attractive features to RC compared to RNN, in termsof simplification, efficiency, rapidity, and feasibility of the learning, as well as in terms of dedicated hardwareimplementation of the RC scheme. This thesis is indeed concerned by one of the first a hardware implementation of RC,moreover with an optoelectronic architecture.Our approach to physical RC implementation is based on the use of a sepcial class of complex system for the Reservoir,a nonlinear delay dynamics involving multiple delayed feedback paths. The Reservoir appears thus as a spatio-temporalemulation of a purely temporal dynamics, the delay dynamics. Specific design of the input and output layer are shownto be possible, e.g. through time division multiplexing techniques, and amplitude modulation for the realization of aninput mask to address the virtual nodes in the delay dynamics. Two optoelectronic setups are explored, one involving awavelength nonlinear dynamics with a tunable laser, and another one involving an intensity nonlinear dynamics with anintegrated optics Mach-Zehnder modulator. Experimental validation of the computational efficiency is performedthrough two standard benchmark tasks: the NARMA10 test (prediction task), and a spoken digit recognition test(classification task), the latter showing results very close to state of the art performances, even compared with purenumerical simulation approaches.Le Reservoir Computing (RC) est un paradigme s’inspirant du cerveau humain, apparu récemment au début des années2000. Il s'agit d'un calculateur neuromorphique habituellement décomposé en trois parties dont la plus importanteappelée "réservoir" est très proche d'un réseau de neurones récurrent. Il se démarque des autres réseaux de neuronesartificiels notamment grâce aux traditionnelles phases d'apprentissage et d’entraînement qui ne sont plus appliquées surla totalité du réseau de neurones mais uniquement sur la lecture du réservoir, ce qui simplifie le fonctionnement etfacilite une réalisation physique. C'est précisément dans ce contexte qu’ont été réalisés les travaux de recherche de cettethèse, durant laquelle nous avons réalisé une première implémentation physique opto-électronique de système RC.Notre approche des systèmes physiques RC repose sur l'utilisation de dynamiques non-linéaires à retards multiples dansl'objectif de reproduire le comportement complexe d'un réservoir. L'utilisation d'un système dynamique purementtemporel pour reproduire la dimension spatio-temporelle d'un réseau de neurones traditionnel, nécessite une mise enforme particulière des signaux d'entrée et de sortie, appelée multiplexage temporel ou encore étape de masquage. Troisannées auront été nécessaires pour étudier et construire expérimentalement nos démonstrateurs physiques basés sur desdynamiques non-linéaires à retards multiples opto-électroniques, en longueur d'onde et en intensité. La validationexpérimentale de nos systèmes RC a été réalisée en utilisant deux tests de calcul standards. Le test NARMA10 (test deprédiction de séries temporelles) et la reconnaissance vocale de chiffres prononcés (test de classification de données) ontpermis de quantifier la puissance de calcul de nos systèmes RC et d'atteindre pour certaines configurations l'état del'art

Advances in optoelectronic oscillators

International audienceOptoelectronic oscillators are used for a wide variety of applications in microwave photonics. We here report the latest advances in this technology from our research group, with emphasis on the analysis of phase noise performance. We present a stochastic modelling approach for phase noise performance analysis of optoelectronic oscillators based on whispering gallery mode resonators and/or optical fiber delay lines, and the theory is complemented with experimental measurements. We provide a detailed theoretical analysis which enables us to find the stationary states of the system as well as their stability. Our calculations also permit to find explicit formulas for the phase noise spectra, thereby allowing for their optimization. © (2016) COPYRIGHT Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). Downloading of the abstract is permitted for personal use only

Breather and Pulse-Package Dynamics in Multinonlinear Electrooptical Systems With Delayed Feedback

International audienceWe investigate the temporal dynamics of a multinonlinear electrooptical system with delayed feedback. We show that when a self-sustained electronic oscillator is intro-duced in the electric path of the feedback loop, a wide variety of complex periodic and chaotic states can be excited. In particular, the chaotic breather and pulse-package oscillations with slow–fast temporal dynamics are experimentally observed in the system, and they are characterized by excitablelike trajectories and scroll patterns in the state space. We show that a notable specificity of these chaotic states is the presence of three distinct and well-separated timescales in the temporal time traces. We analyze the interaction between the main nonlinearities of the system and the delayed feedback loop, and finally, we discuss the main dynamical features displayed by this family of photonic systems

Phase Noise Performance of Optoelectronic Oscillators Based on Whispering-Gallery Mode

International audienceOptoelectronic oscillators based on whispering-gallery mode resonators (WGMRs) are efficient oscillators for ultra-stable microwave generation, in which the energy can be stored in an ultra-high Q-factor resonator instead of the usual long delay line. In this paper, we derive a stochastic model for the calculation of the phase noise performance in these systems considering three different configurations, namely, the case where the energy is stored in high-Q disk-shaped WGMR, the case where energy is stored in an optical delay-line only, and the case for which the energy is stored simultaneously by the resonator and the delay line. Our investigations explain how the WGMR can be optimally used for spurious peak rejection in optoelectronic oscillators. Our experimental measurements are found to be in excellent agreement with analytical and simulation results

Performance of microwave optoelectronic oscillators based on crystalline whispering-gallery mode resonators

International audienceWe report an investigation on optoelectronic oscillators based on a combination of a fiber delay line and a whispering gallery mode resonator. We analyze the dynamical processes which are key for the understanding of the spectral purity of these oscillators. We therefore show how combining both optical elements leads to significant improvement of the spectral purity of the oscillator, as it leads to a spurious rejection rate higher than 50 dB