[논문 리뷰] First and second order all-optical integrating functions in a photonic integrated circuit

Marcello Ferrera, Yongwoo Park외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 30.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 15인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 광학 집적 회로에서 CMOS 호환성 있는 도핑된 유리 마이크로링 공진기를 사용하여 임의의 광학 파형의 1차 및 2차 모든 광학적 적분을 처음으로 구현한다. 장치는 400 GHz 이상의 대역폭을 초과하면서도 2 ps 이내의 해상도로 시간적 적분을 달성하여 초고속 광학 신호의 실시간 처리가 가능하며, 광학 계산 및 미분방정식 분석 분야의 잠재적 응용을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 임의의 광학 파형에 대한 모든 광학적 시간적 적분을 수행할 수 있는 광학 집적 회로를 개발하는 것.
• 초고속 광학 신호 처리를 위해 2 ps 이내의 시간 해상도로 1차 및 2차 적분을 달성하는 것.
• 확장 가능한 광학 계산 응용을 위해 CMOS 호환 플랫폼에서 400 GHz를 초과하는 광대역 운영을 구현하는 것.
• 작고 통합된 장치에서 모든 광학적 적분을 활용해 미분방정식을 실시간으로 분석하는 것.

제안 방법

• 장치는 CMOS 공정과 호환되는 도핑된 유리 기술로 제작된 사입력 마이크로링 공진기를 사용한다.
• 시간적 적분은 마이크로링 구조의 공진 필터링 및 위상 누적 특성을 통해 달성된다.
• 공진기의 전송 함수와 결합 계수를 활용하여 시간에 따른 누적 적분을 구성한다.
• 공진기의 응답을 연결하거나 조절하여 1차 및 2차 적분을 모두 지원하는 디자인이다.
• 장치는 400 GHz를 초과하는 대역폭을 가지며, 약 1.9 ps 정도의 짧은 특징을 가진 광학 신호의 처리가 가능하다.
• 측정된 전송 함수와 입력 파형 응답을 바탕으로 이론적 및 실험적 검증을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 집적 회로는 2 ps 이내의 해상도로 임의의 광학 파형에 대한 모든 광학적 시간적 적분을 수행할 수 있는가?
• RQ2 CMOS 호환 플랫폼에서 1차 및 2차 광학적 적분을 달성할 수 있는 최대 대역폭은 얼마인가?
• RQ3 마이크로링 공진기의 응답은 시간 도메인에서 광학 신호의 누적 적분을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 장치는 광학 계산 및 펄스 형상 제어 응용을 위한 초고속 광학 신호의 실시간 처리를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 장치는 약 1.9 ps 정도의 시간적 특징을 가진 광학 파형에 대해 1차 및 2차 모든 광학적 적분을 성공적으로 수행한다.
• 시스템은 400 GHz를 초과하는 대역폭을 확보하여 초고속 광학 신호를 작고 통합된 광학 집적 회로에서 처리할 수 있다.
• 도핑된 유리 기술로 제작된 마이크로링 공진기는 적절한 결합 및 공진 조건을 통해 1차 및 2차 적분을 모두 지원한다.
• 실험 결과는 이론적 전송 함수를 확인하며 넓은 다이내믹 레인지에서 정확한 시간적 적분을 보여준다.
• 장치는 CMOS 제조 공정과 호환되어 향후 광학 계산 및 신호 처리 시스템의 확장 가능한 통합을 가능하게 한다.