[논문 리뷰] Integrated electro-optic digital-to-analog link for efficient computing and arbitrary waveform generation

Yunxiang Song, Yaowen Hu외 14명|arXiv (Cornell University)|2024. 11. 07.

Photonic and Optical Devices인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 파운드리 기반 리튬 나이오베이트 나노광학을 사용하여 순수 디지털 입력으로부터 광파형과 전자파형을 생성하는 일반적인 전기광 디지털-아날로그 링크(EO-DiAL)를 최대 186 Gbit/s까지 구현하여 고충실도 MNIST 인코딩과 초광대역 마이크로파 임의 파형 생성이 가능함을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• Compute and communications에서 아날로그 처리를 위한 디지털 전자와 보완 플랫폼으로 통합 광학을 동기화하는 것을 목표로 한다.
• 순수 디지털 입력을 필요에 따라 광파형과 전자파형으로 변환하는 일반적인 EO-DiAL을 시연한다.
• 저에너지 per bit를 갖는 디지털-아날로그 광학 변환의 고충실도 특성을 보여주고 마이크로파 신호용 파형 생성을 가능하게 한다.

제안 방법

• 파운드리 기반 리튬 나이오베이트 나노광학을 이용해 EO-DiAL을 구현한다.
• 정보율이 높은 고속으로 광 파형을 생성하기 위해 순수 디지털 입력을 처리한다(최대 186 Gbit/s).
• 0.058 pJ/bit 에너지 요건으로 디지털-아날로그 전자광 변환을 달성한다.
• 펄스-모양형성 없이 초광대역으로 가변 지연과 이득을 갖는 마이크로파 임의 파형 생성을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 온칩에서 디지털 전자와 아날로그 포토닉스를 효율적으로 연결하는 공통의 전기-광 인터페이스를 확립할 수 있는가?
• RQ2 리튬 나이오베이트 나노광학을 사용한 EO-DiAL의 성능 지표(처리량, 비트당 에너지, 정확도)는 어떠한가?
• RQ3 EO-DiAL이 광 데이터 인코딩(MNIST 예시)과 마이크로파 임의 파형 생성 모두를 어떻게 가능하게 하는가?

주요 결과

• EO-DiAL이 디지털 입력으로부터 광파형과 전자파형을 최대 186 Gbit/s로 생성하는 것을 시연했다.
• 광 MNIST 인코딩을 높은 충실도와 0.058 pJ/bit의 에너지 효율로 달성했다.
• 펄스-모양형성 없이 초광대역 가변 지연 및 이득을 갖춘 마이크로파 임의 파형 생성.
• 집적 광학에서 컴퓨팅 및 통신을 위한 디지털-아날로그 변환의 컴팩트하고 효율적인 가능성을 보여준다.
• 파운드리 기반 LiNbO3 플랫폼에서 디지털 전자와 아날로그 포토닉스를 연결하는 기본 인터페이스를 제시한다.