Complex Optical Networks based on Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs)

Abstract

[eng] This thesis is centered around the experimental realization of networks of optically coupled vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) that are arranged in squarelattice arrays, using diffraction in an external cavity. After successfully implementing the diffractive coupling scheme, we experimentally study qualitatively and quantitatively the coupling of VCSEL pairs and of an entire VCSEL array, as well as simultaneous optical injection into all the VCSELs. Finally, we evaluate the established network’s potential for brain-inspired information processing. Very few networks containing more than twenty optically coupled semiconductor lasers (SLs) have so far been implemented, although they are interesting for various reasons. From a fundamental research point of view, they allow studying the dynamics of real-world complex networks at high speed. From an application-oriented perspective, they are promising hardware substrates for neuro-inspired computing. We first characterize the individual VCSELs. After that, we study the behaviour of coupled VCSEL pairs, mainly by analyzing their optical and radio-frequency (RF) spectra. In the RF spectra of the central VCSEL of the array, we find signatures for coupling with every individual non-central VCSEL. Analyzing the optical spectra, we find optical locking of the central VCSEL with two thirds of the individual non-central VCSELs. For entire-array coupling, we also find a clear transition in both optical and RF spectra of the central VCSEL upon incrementing the common wavelength of the ensemble of the non-central VCSELs. We interpret this as a transition from entire-array locking to unlocking. Furthermore, we achieve simultaneous optical injection locking of 22 out of 25 VCSELs to an external drive laser, and analyze the dynamic response of the VCSELs to intensity-modulated injection. Having characterized coupling and injection, we evaluate the experimental setup’s capacity to be utilized as a reservoir computer. We test our experimental system’s computing capability on the four basic benchmark tasks memory capacity, exclusive or, header recognition, and digital-to-analog conversion. We observe that the system has good onestep- memory, which then decays rapidly to close to zero for five steps. For the other tasks, we observe that the performance depends crucially on the complexity of the task, with low errors for the 2-bit versions of the tasks, but with substantial decreases in precision for every additional bit. Investigating the output configuration, we find that the change in computing performance upon connecting a reservoir node to the output layer varies greatly from node to node, which means that not all nodes in the output layer are equally important. However, we could not identify reliable indicators of a node’s contribution to the computing performance. In summary, we have experimentally established a diffractively coupled VCSEL network, characterized the coupling and injection, and evaluated the information-processing properties of the network. We have therefore demonstrated one of the first experimental realizations in which tens of SLs are optically coupled within a scalable approach. These results are of interest for the study of complex systems and for photonic reservoir computing.

[spa] Esta tesis se centra en la realización experimental de redes de láseres de cavidad vertical con emisión de superficie (en inglés VCSELs, acrónimo de vertical-cavity surfaceemitting laser) dispuestos en una retícula cuadrada y acoplados ópticamente utilizando difracción en una cavidad externa. Tras implementar con éxito el esquema de acoplamiento difractivo, estudiamos experimentalmente de forma cualitativa y cuantitativa el acoplamiento entre parejas de VCSELs y de todo un conjunto de VCSELs, así como la inyección óptica simultánea en todos los VCSELs. Por último, evaluamos el potencial de la red que hemos desarrollado como procesador de información inspirado en el cerebro. Hasta la fecha se habían implementado muy pocas redes en las que se pudieran acoplar ópticamente más de diez láseres semiconductores (SL por su acrónimo en inglés), las cuales son interesantes por diversas razones, como se detalla a continuación. Desde el punto de vista de la investigación fundamental, permiten estudiar las dinámicas de redes complejas físicas a altas velocidades. Desde el punto de vista de las aplicaciones, son una base prometedora para la computación neuroinspirada. En primer lugar, caracterizamos los VCSELs individuales. Después, estudiamos el comportamiento de VCSELs acoplados a pares, principalmente analizando sus espectros ópticos y de radiofrecuencia (RF). En los espectros de RF del VCSEL central del conjunto, encontramos evidencia de acoplamiento con cada uno de los otros VCSELs. Analizando los espectros ópticos, encontramos acoplamiento óptico entre el VCSEL central y dos tercios de los VCSELs no centrales. Al acoplar todo el conjunto, también observamos una clara transición en los espectros ópticos y de RF del VCSEL central al aumentar la longitud de onda común del conjunto de VCSELs no centrales. Interpretamos este fenómeno como una transición del encadenamiento óptico del conjunto completo a su desencadenamiento. Además, logramos simultáneamente encadenar por inyección óptica 22 de los 25 VCSELs a un láser externo y analizamos la respuesta dinámica de los VCSELs a una modulación en la intensidad de la señal de inyección. Una vez caracterizados el acoplamiento y la inyección óptica, evaluamos la capacidad del montaje experimental para ser utilizado como reservorio computacional. En este contexto, comprobamos la capacidad de cálculo de nuestro sistema experimental en cuatro tareas básicas de referencia: capacidad de memoria, disyunción exclusiva, reconocimiento de cabeceras y conversión de digital a analógico. Observamos que el sistema tiene una buena memoria a un paso atrás, que luego decae rápidamente hasta acercarse a cero en el quinto paso. Para las demás tareas, observamos que el rendimiento depende sustancialmente de la complejidad de la tarea, con errores bajos para las versiones de 2 bits, pero con descensos importantes de precisión por cada bit adicional. Al investigar la configuración de salida, observamos que el cambio en el rendimiento computacional, al conectar un nodo del reservorio a la capa de salida, varía mucho de un nodo a otro, lo que significa que no todos los nodos de la capa de salida tienen la misma importancia. Sin embargo, no hemos podido identificar indicadores fiables de la contribución de un nodo al rendimiento computacional global. En resumen, en esta tesis hemos demostrado experimentalmente una red de VCSELs acoplada por difracción, hemos caracterizado el efecto del acoplamiento y de la inyección óptica, y hemos evaluado las propiedades de la red para el procesamiento de información. De esta manera, hemos generado uno de los primeros sistemas experimentales en el que decenas de SLs se acoplan ópticamente con un esquema escalable. Estos resultados son de interés para el estudio de sistemas complejos y para la computación usando reservorios fotónicos.

[cat] Aquesta tesi se centra en la realització experimental de xarxes de làsers de cavitat vertical amb emissió de superfície (en anglès VCSELs, acrònim de vertical-cavity surfaceemitting laser), disposats en una retícula quadrada i acoblats òpticament utilitzant difracció en una cavitat externa. Després d’implementar amb èxit l’esquema d’acoblament difractiu, estudiem experimentalment de manera qualitativa i quantitativa l’acoblament tant entre parelles de VCSELs com de tot un conjunt, així com la injecció òptica simultània a tots els VCSELs. Per acabar, avaluem el potencial de la xarxa que hem desenvolupat com a processador d’informació inspirat en el cervell. Fins ara s’havien implementat molt poques xarxes on es poguessin acoblar òpticament més de deu làsers semiconductors (SL pel seu acrònim en anglès), les quals són interessants per diverses raons com es detalla a continuació. Des del punt de vista de la investigació fonamental, permeten estudiar les dinàmiques de xarxes complexes físiques a altes velocitats. Des del punt de vista de les aplicacions, són una base prometedora per a la computació inspirada en el cervell. En primer lloc, caracteritzem els VCSELs individuals. Després, estudiem el comportament de VCSELs acoblats a parells, principalment analitzant els seus espectres òptics i de radiofreqüència (RF). En els espectres de RF del VCSEL central del conjunt, trobem evidència d’acoblament amb cadascun dels altres VCSELs. Analitzant els espectres òptics, trobem acoblament òptic entre el VCSEL central i dos terços dels VCSELs no centrals. En acoblar tot el conjunt, també observem una transició clara en els espectres òptics i de RF del VCSEL central en augmentar la longitud d’ona comuna del conjunt de VCSELs no centrals. Interpretem aquest fenomen com una transició d’encadenament òptic del conjunt complet al seu desencadenament. A més, aconseguim simultàniament encadenar per injecció òptica 22 dels 25 VCSELs a un làser extern i analitzem la resposta dinàmica dels VCSELs a una modulació de la intensitat del senyal d’injecció. Un cop caracteritzats l’acoblament i la injecció òptica, avaluem la capacitat del muntatge experimental per ser utilitzat com a reservori computacional. En aquest context, comprovem la capacitat de càlcul del nostre sistema experimental en quatre tasques bàsiques de referència: capacitat de memòria, disjunció exclusiva, reconeixement de capçaleres i conversió de digital a analògic. Observem que el sistema té una bona memòria a un pas enrere, que després decau ràpidament fins a acostar-se a zero al cinquè pas. Per a la resta de tasques, observem que el rendiment depèn substancialment de la complexitat de la tasca, amb errors baixos per a les versions de 2 bits, però amb descensos importants de precisió per cada bit addicional. En investigar la configuració de sortida, observem que el canvi en el rendiment computacional en connectar un node del reservori a la capa de sortida, varia molt d’un node a un altre, cosa que significa que no tots els nodes de la capa de sortida tenen la mateixa importància. Tot i això, no hem pogut identificar indicadors fiables de la contribució d’un node al rendiment computacional global. En resum, en aquesta tesi hem establert experimentalment una xarxa de VCSELs acoblada per difracció, hem caracteritzat l’efecte de l’acoblament i de la injecció òptica, i hem avaluat les propietats de la xarxa per al processament d’informació. D’aquesta manera, hem generat un dels primers sistemes experimentals en què desenes de SL s’acoblen òpticament amb un esquema escalable. Aquests resultats són interessants per a l’estudi de sistemes complexos i per a la computació usant reservoris fotònics.