[논문 리뷰] New opportunities for integrated microwave photonics

David Marpaung, Jianping Yao외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 05.

Neural Networks and Reservoir Computing참고 문헌 79인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 통합 마이크로파 포토닉스 분야의 최근 발전을 검토하며, 하이브리드 재료 플랫폼의 통합을 통해 초소형, 고대역폭의 전기광조절기, 저잡음 주파수 합성기, 그리고 스펙트럼 해상도가 향상된 칩스케일 신호 처리기를 실현하고자 한다. 주요 기여는 성숙한 반도체 제조 공정을 활용해 완전히 통합되고 재구성 가능한 마이크로파 포토닉스 칩을 구현한 것으로, 통신 및 정보 시스템 분야에서 전자 기반 처리 기능을 실현한다.

ABSTRACT

Recent advances in photonic integration have propelled microwave photonic technologies to new heights. The ability to interface hybrid material platforms to enhance light-matter interactions has led to the developments of ultra-small and high-bandwidth electro-optic modulators, frequency synthesizers with the lowest noise, and chip signal processors with orders-of-magnitude enhanced spectral resolution. On the other hand, the maturity of high-volume semiconductor processing has finally enabled the complete integration of light sources, modulators, and detectors in a single microwave photonic processor chip and has ushered the creation of a complex signal processor with multi-functionality and reconfigurability similar to their electronic counterparts. Here we review these recent advances and discuss the impact of these new frontiers for short and long term applications in communications and information processing. We also take a look at the future perspectives in the intersection of integrated microwave photonics with other fields including quantum and neuromorphic photonics.

연구 동기 및 목표

• 고성능 마이크로파 포토닉스 시스템을 가능하게 하는 포토닉 통합 분야의 최근 돌풍을 검토하기 위해.
• 하이브리드 재료 플랫폼이 빛-물질 상호작용을 향상시켜 장치 성능을 향상시키는 방식을 분석하기 위해.
• 단일 플랫폼에 빛 소스, 조절기, 검출기가 모두 통합된 완전한 통합 마이크로파 포토닉스 칩의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 이러한 발전이 통신 및 정보 처리 시스템 분야의 미래 응용에 미치는 영향을 탐구하기 위해.
• 통합 마이크로파 포토닉스와 양자/뉴로모픽 포토닉스 분야 간의 새로운 융합 가능성을 규명하기 위해.

제안 방법

• III-V 실리콘 기반 하이브리드 재료 통합을 활용해 전기광 효과를 향상시키고 장치 면적을 감소시키기 위해.
• 고용량 반도체 제조 공정 기술을 적용해 단일 칩에 빛 소스, 조절기, 검출기를 일체형으로 통합하기 위해.
• 고도로 발전된 포토닉 회로 설계를 통해 칩 내 신호 처리기에서 높은 스펙트럼 해상도와 넓은 대역폭을 달성하기 위해.
• 통합 플랫폼 내 고-Q 포토닉 공진기를 활용해 저위상잡음 주파수 합성 기술을 적용하기 위해.
• 프로그래밍 가능한 위상 이동기와 조절 가능한 필터를 칩 내에 통합해 재구성 가능한 포토닉 프로세서 설계하기 위해.
• 전자 제어 회로와 포토닉 구성 요소를 통합해 전자 프로세서와 유사한 동적 기능을 실현하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 재료 플랫폼을 어떻게 활용해 통합 마이크로파 포토닉스 장치 내 빛-물질 상호작용을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 포토닉 통합을 통해 전기광조절기와 주파수 합성기의 성능 향상은 어느 정도 달성될 수 있는가?
• RQ3 표준 반도체 공정을 사용해 단일 칩에 빛 소스, 조절기, 검출기를 완전히 통합할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 칩스케일의 재구성 가능한 마이크로파 포토닉스 프로세서가 통신 및 정보 처리 시스템에 어떤 영향을 미칠 수 있는가?
• RQ5 통합 마이크로파 포토닉스는 양자 및 뉴로모픽 포토닉스와 같은 새로운 분야와 어떻게 융합될 수 있는가?

주요 결과

• 하이브리드 통합을 통해 초소형 고대역폭 전기광조절기가 실현되어 컴팩트하고 효율적인 신호 처리가 가능해졌다.
• 통합 플랫폼 내 고-Q 포토닉 공진기를 활용해 현재까지 가장 낮은 위상잡음 수준을 기록한 주파수 합성기가 구현되었다.
• 고도로 발전된 포토닉 회로 설계를 통해 칩스케일 신호 처리기의 스펙트럼 해상도가 수십 배에서 수백 배 이상 향상되었다.
• 성숙한 반도체 제조 공정을 활용해 단일 칩에 빛 소스, 조절기, 검출기를 완전히 통합함으로써 다기능성 및 재구성 가능한 시스템이 실현되었다.
• 마이크로파 포토닉스 시스템과 전자 제어 회로의 통합을 통해 프로세서와 유사한 재구성 가능성과 동적 기능이 가능해졌다.
• 양자 및 뉴로모픽 포토닉스 분야와의 새로운 융합 가능성이 미래 연구 및 개발의 유망한 분야로 규명되었다.