[論文レビュー] First and second order all-optical integrating functions in a photonic integrated circuit

Marcello Ferrera, Yongwoo Park+6 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 15被引用数 22

ひとこと要約

この論文は、光子集積回路におけるCMOSプロセスと互換性のあるドーピングガラスマイクロリングレゾネータを用いて、任意の光波形の一次および二次の全光的積分を初めて実現した。このデバイスは、2 ps未満の時間分解能で400 GHzを超える帯域幅を有するため、超高速光信号のリアルタイム処理が可能となり、光コンピューティングや微分方程式解析への応用が期待される。

ABSTRACT

We demonstrate all-optical temporal integration of arbitrary optical waveforms with temporal features as short as ~1.9ps. By using a four-port micro-ring resonator based on CMOS compatible doped glass technology we perform the 1st- and 2nd-order cumulative time integral of optical signals over a bandwidth that exceeds 400GHz. This device has applications for a wide range of ultra-fast data processing and pulse shaping functions as well as in the field of optical computing for the real-time analysis of differential equations.

研究の動機と目的

• 任意の光波形の全光的時間積分を実行可能な光子集積回路の開発。
• 超高速光信号処理に向け、2 ps未満の時間分解能を達成する一次および二次の積分。
• スケーラブルな光コンピューティング応用を想定し、CMOSプロセスと互換性を持つプラットフォームで400 GHzを超える帯域幅を実現。
• コンactで統合された小型デバイスを用いて、微分方程式のリアルタイム解析を可能にする全光的積分の実現。

提案手法

• CMOSプロセスと互換性のあるドーピングガラス技術を用いてフォームドされた四端子マイクロリングレゾネータを採用。
• マイクロリング構造の共鳴フィルタリング特性および位相蓄積特性を活用して時間的積分を実現。
• リングの伝達関数および結合係数を活用して、時間的な累積的積分を実現するシステム構成。
• レゾネータの応答をカスケード接続または調整することにより、一次および二次の積分をサポート。
• 帯域幅が400 GHzを超えるため、時間的特徴が約1.9 ps未満の光信号の処理が可能。
• 理論的および実験的妥当性を、測定された伝達関数および入力波形応答を用いて検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子集積回路は、2 ps未満の時間分解能で、任意の光波形の全光的時間積分を実行可能か？
• RQ2 CMOSプロセスと互換性を持つプラットフォームで、一次および二次の光的積分を実現できる最大帯域幅は何か？
• RQ3 マイクロリングレゾネータの応答は、時間領域における光信号の累積的積分をどのように可能にするか？
• RQ4 このデバイスは、光コンピューティングやパルス形状制御への応用を想定し、超高速光信号のリアルタイム処理を可能にするか？

主な発見

• 時間的特徴が約1.9 ps未満の光波形について、一次および二次の全光的積分を正常に実行。
• 400 GHzを超える帯域幅を達成し、コンパクトな光子集積回路で超高速光信号処理が可能。
• ドーピングガラス技術を用いたマイクロリングレゾネータは、適切な結合条件および共鳴条件を調整することで、一次および二次の積分を両立。
• 実験結果は理論的伝達関数を確認し、広動態範囲で正確な時間的積分を示した。
• CMOSプロセスと互換性があるため、将来の光コンピューティングおよび信号処理システムにおけるスケーラブルな統合が可能。