[논문 리뷰] Integrated lithium niobate microwave photonic processing engine

Hanke Feng, Tong Ge외 10명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 26.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 92 Gsps까지의 고속, 저전력 아날로그 신호 계산을 가능하게 하는 밀도형 리튬니오브산염 플랫폼을 제시한다. 시간적 적분과 미분에서 98.1%의 정확도를 달성하여 상미분방정식 해결, 초광대역 신호 생성, 광학 보조 의료 영상 분할에 응용되었으며, 전자기기 대비 순차적 속도 및 전력 우수성을 보였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고정밀도 및 저지연을 갖춘 칩스케일의 밀도형 플랫폼을 개발하여 통합 마이크로파 광학 신호 처리를 실현한다.
• 전기광학 변조 및 저손실 광학 회로를 이용해 마이크로파 및 광신호의 고속 아날로그 계산을 가능하게 한다.
• 낮은 전압에서 CMOS 호환 동작을 실현하면서도 높은 선형성과 효율성을 유지한다.
• 영상 윤곽선 검출 및 미분방정식 해결과 같은 실제 응용 분야를 위한 다기능 신호 처리를 실현한다.
• 의료 진단을 위한 초고속, 저전력 광학 보조 영상 분할을 가능하게 한다.

제안 방법

• 플랫폼은 박막 리튬니오브산염을 사용하여 전기광학 변조기와 저손실 광학 웨이브가이드를 단일 칩에 통합한다.
• CMOS 호환 전압에서 전기광학 위상 변조를 이용해 고대역폭 마이크로파-광신호 변환을 선형적으로 수행한다.
• 재구성 가능한 광학 네트워크를 통해 통합 및 미분과 같은 신호 처리 기능을 동적으로 구현한다.
• 시스템은 시간 영역 처리를 활용하여 아날로그 신호의 일阶 및 이阶 도함수 및 적분을 계산한다.
• 영상 윤곽선 검출은 광학 시간 도함수를 이용해 실시간으로 의료 영상의 경계를 묘사한다.
• 광학 프로세서는 기계학습 추론 모델과 인터페이스되어 전자 계산을 대체한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀도형 리튬니오브산염 플랫폼은 CMOS 호환 전압에서 92 Gsps의 고속, 고정밀 아날로그 신호 처리를 달성할 수 있는가?
• RQ2 광학 시간 적분 및 미분은 아날로그 신호 계산에서 98% 이상의 정확도를 달성할 수 있는가?
• RQ3 광학 보조 영상 분할은 의료 영상에서 전자 프로세서보다 속도 및 에너지 효율성 면에서 뛰어나게 작동할 수 있는가?
• RQ4 모든 광학 계산을 통해 플랫폼이 상미분방정식을 효과적으로 해결할 수 있는가?
• RQ5 하드웨어 재설계 없이도 시스템이 다양한 신호 처리 작업에 재구성 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 플랫폼은 아날로그 신호의 일계 및 이계 시간 적분 및 미분에서 98.1%의 정확도를 달성한다.
• 신호 처리는 최대 92 기가샘플/초에서 수행되어 고대역폭 마이크로파 및 광신호의 실시간 처리를 가능하게 한다.
• 시스템은 전자 대비 상당히 낮은 지연과 전력 소모로 피부암 병변 경계를 빠르게 묘사하는 광학 보조 영상 분할을 실현한다.
• 광학 미분기기를 핵심 구성 요소로 사용하여 초광대역 신호 생성이 성공적으로 구현되었다.
• 플랫폼은 단일 칩에서 저손실 및 고선형성으로 ODE 해결 및 윤곽선 검출과 같은 재구성 가능한 신호 처리 기능을 지원한다.
• 박막 리튬니오브산염 칩에 전기광학 변조기와 광학 회로를 통합함으로써 확장 가능하고 저비용의 제조가 가능해졌다.