[論文レビュー] Integrated lithium niobate microwave photonic processing engine

Hanke Feng, Tong Ge+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2023

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、最大92 Gspsの高速、低消費電力アナログ信号処理を実現するモノリシックリチウムニオブ酸ガラスプラットフォームを提示する。時間的積分および微分において98.1%の精度を達成し、常微分方程式の解法、超広帯域信号生成、光子支援医療画像分類に応用する。電子機器に比べて、速度および消費電力のオーダー・オブ・マグニチュードの優位性を示す。

ABSTRACT

Integrated microwave photonics is an intriguing field that leverages integrated photonic technologies for the generation, transmission, and manipulation of microwave signals in chip-scale optical systems. In particular, ultrafast processing and computation of analog electronic signals in the optical domain with high fidelity and low latency could enable a variety of applications such as MWP filters, microwave signal processing, and image recognition. An ideal photonic platform for achieving these integrated MWP processing tasks shall simultaneously offer an efficient, linear and high-speed electro-optic modulation block to faithfully perform microwave-optic conversion at low power, and a low-loss functional photonic network that can be configured for a variety of signal processing tasks, as well as large-scale, low-cost manufacturability to monolithically integrate the two building blocks on the same chip. In this work, we demonstrate such an integrated MWP processing engine based on a thin-film lithium niobate platform capable of performing multi-purpose processing and computation tasks of analog signals up to 92 giga samples per second at CMOS-compatible voltages. We demonstrate high-speed analog computation, i.e., first- and second-order temporal integration and differentiation with computing accuracies up to 98.1 %, and deploy these functions to showcase three proof-of-concept applications, namely, ordinary differential equation solving, ultra-wideband signal generation and high-speed edge detection of images. We further leverage the image edge detector to enable a photonic-assisted image segmentation model that could effectively outline the boundaries of melanoma lesion in medical diagnostic images, achieving orders of magnitude faster processing speed and lower power consumption than conventional electronic processors.

研究の動機と目的

• 高忠実度かつ低遅延な統合マイクロ波光信号処理を実現するチップスケールのモノリシックプラットフォームの開発を目的とする。
• 電気光学変調および低損失光回路を用いて、マイクロ波および光信号の高速アナログ計算を可能にする。
• 低電圧で動作し、CMOS互換性を維持しながら、高い線形性と効率性を確保する。
• 画像エッジ検出および微分方程式の解法など、実世界の応用に向けた多機能信号処理を実現する。
• 医療診断を目的とした、超高速かつ低消費電力の光子支援画像分類を実現する。

提案手法

• プラットフォームは、薄膜リチウムニオブ酸ガラスを用い、電気光学変調器と低損失光波導を1チップに統合する。
• CMOS互換電圧で動作する電気光学位相変調を用いて、高帯域幅のマイクロ波から光信号への線形変換を実現する。
• 再構成可能な光ネットワークにより、積分や微分などの信号処理関数を動的に実装可能である。
• 時間領域処理を活用し、アナログ信号の1階および2階微分および積分を計算する。
• 画像エッジ検出は、光子的時間微分を用いて実装され、医療画像におけるリアルタイムな境界抽出を可能にする。
• 光子プロセッサは機械学習推論モデルとインターフェース接続され、電子的計算の代わりに使用される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノリシックリチウムニオブ酸ガラスプラットフォームは、CMOS互換電圧で92 Gspsの高忠実度・高速アナログ信号処理を達成できるか？
• RQ2 光子的時間積分および微分は、アナログ信号処理において98%を超える精度を達成できるか、その程度はいかほどか？
• RQ3 光子支援画像分類は、医療画像処理において電子プロセッサを上回る速度およびエネルギー効率を実現できるか？
• RQ4 すべて光信号による計算を用いて、常微分方程式を効果的に解けるか？
• RQ5 ハードウェアの再設計なしに、複数の信号処理タスクに再構成可能か？

主な発見

• アナログ信号の1階および2階時間的積分および微分において、98.1%の精度を達成した。
• 信号処理は最大92ギガサンプル/秒で実現され、高帯域幅のマイクロ波および光信号のリアルタイム処理を可能にした。
• 電子的代替手法に比べて、はるかに低遅延かつ低消費電力でメラノーマ病変の境界を抽出する光子支援画像分類を実現した。
• 光子的微分器を主要構成要素として用いて、超広帯域信号生成が成功裏に実証された。
• 1チップに低損失および高線形性を維持したまま、ODEの解法およびエッジ検出を含む再構成可能な信号処理機能をサポートした。
• 薄膜リチウムニオブ酸ガラスチップ上に電気光学変調器と光回路を統合することで、スケーラブルかつ低コストな製造が可能になった。