[論文レビュー] Integrated electro-optic digital-to-analog link for efficient computing and arbitrary waveform generation

Yunxiang Song, Yaowen Hu+14 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2024

Photonic and Optical Devices被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、foundry-based lithium niobate nanophotonics を用いて、純粋にデジタル入力から光波形と電子波形の両方を生成し、最大186 Gbit/sで高忠実度の MNIST エンコーディングと超広帯域のマイクロ波任意波形発生を実現する一般的な electro-optic digital-to-analog link (EO-DiAL) を示している。

ABSTRACT

The rapid growth in artificial intelligence and modern communication systems demands innovative solutions for increased computational power and advanced signaling capabilities. Integrated photonics, leveraging the analog nature of electromagnetic waves at the chip scale, offers a promising complement to approaches based on digital electronics. To fully unlock their potential as analog processors, establishing a common technological base between conventional digital electronic systems and analog photonics is imperative to building next-generation computing and communications hardware. However, the absence of an efficient interface has critically challenged comprehensive demonstrations of analog advantage thus far, with the scalability, speed, and energy consumption as primary bottlenecks. Here, we address this challenge and demonstrate a general electro-optic digital-to-analog link (EO-DiAL) enabled by foundry-based lithium niobate nanophotonics. Using purely digital inputs, we achieve on-demand generation of (i) optical and (ii) electronic waveforms at information rates up to 186 Gbit/s. The former addresses the digital-to-analog electro-optic conversion challenge in photonic computing, showcasing high-fidelity MNIST encoding while consuming 0.058 pJ/bit. The latter enables a pulse-shaping-free microwave arbitrary waveform generation method with ultrabroadband tunable delay and gain. Our results pave the way for efficient and compact digital-to-analog conversion paradigms enabled by integrated photonics and underscore the transformative impact analog photonic hardware may have on various applications, such as computing, optical interconnects, and high-speed ranging.

研究の動機と目的

• Integrated photonics を、計算機科学と通信のアナログ処理のためのデジタル電子工学の補完プラットフォームとして動機づける。
• 純粋にデジタル入力をオンデマンドで光波形および電子波形へ変換する一般的な EO-DiAL を実証する。
• 低エネルギー per bit での高忠実度のデジタル-光学変換を実現し、マイクロ波信号の波形生成を可能にする。

提案手法

• foundry-based lithium niobate nanophotonics を用いて EO-DiAL を実装する。
• 純粋にデジタル入力を処理して高情報率で光波形を生成する（最大 186 Gbit/s）。
• 0.058 pJ/bit のエネルギー per bit を達成するデジタル-アナログ電気光学変換を実証する。
• パルス整形を必要としないマイクロ波任意波形生成法を、超広帯域の可変遅延と利得で実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デジタル電子機器とアナログフォトニクスをオンチップで効率的に橋渡しする共通の電気光学インターフェースを確立できるか。
• RQ2 LiNbO3 ナノフォトニクスを用いた EO-DiAL で達成できる性能指標（スループット、エネルギー per bit、忠実度）はどの程度か。
• RQ3 EO-DiAL は光データのエンコード（例：MNIST）とマイクロ波任意波形生成の両方をどのように可能にするか。

主な発見

• EO-DiAL はデジタル入力で最大 186 Gbit/s の光波形と電子波形を生成することを実証した。
• 高忠実度と 0.058 pJ/bit のエネルギー効率で光学 MNIST エンコードを実現した。
• パルス整形を要さないマイクロ波任意波形生成を、超広帯域の可変遅延と利得で実証した。
• 計算機科学と通信のための統合フォトニクスにおけるデジタル-アナログ変換のコンパクトで効率的な実現の可能性を示す。
• foundry-based LiNbO3 プラットフォーム上のデジタル電子機器とアナログフォトニクスを結ぶ基礎的なインターフェースを提示する。