[論文レビュー] New opportunities for integrated microwave photonics

David Marpaung, Jianping Yao+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2018

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 79被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、最近の集積マイクロ波光技術の進展をレビューし、ハイブリッド材料プラットフォームの統合によって、超小型で高帯域幅の電光変調器、低ノイズ周波数合成器、およびスペクトル分解能が向上したチップスケール信号処理装置を実現する方法を強調している。主な貢献は、成熟した半導体プロセスを用いた完全に統合された再構成可能なマイクロ波光チップの実証であり、通信および情報処理システムにおける多機能的で電子機器に類似した処理を可能にしている。

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.

研究の動機と目的

• 高性能なマイクロ波光システムを実現する光集積技術の最近のブレークスルーをレビューすること。
• ハイブリッド材料プラットフォームが光-物質相互作用をどのように向上させ、デバイス性能を改善するかを検討すること。
• 光源、変調器、検出器を1つのプラットフォームに完全に統合したマイクロ波光チップの実現可能性を示すこと。
• これらの進展が将来的な通信および情報処理分野への応用に与える影響を検討すること。
• 集積マイクロ波光技術と量子・ニューロモルフィック光技術の間の新たな相乗効果を特定すること。

提案手法

• III-V族半導体をシリコン上に積層するハイブリッド材料統合を活用し、電光効果を強化するとともにデバイスの小型化を実現する。
• 大規模半導体プロセス技術を用いて、光源、変調器、検出器をモノリシックに1チップ上に統合する。
• 高度な光回路設計を活用し、チップ内信号処理装置における高スペクトル分解能と広帯域幅を達成する。
• 集積プラットフォーム内に高Qの光共振器を用いた低位相ノイズ周波数合成技術を適用する。
• プログラマブルな位相シフト器および可変フィルタをチップ上に統合し、再構成可能な光プロセッサを設計する。
• 光コンポONENTSと電子制御回路を統合することで、電子プロセッサに類似した動的機能を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッド材料プラットフォームを用いることで、集積マイクロ波光デバイスにおける光-物質相互作用をどのように向上させられるか？
• RQ2 光集積技術によって、電光変調器および周波数合成器の性能はどの程度向上できるか？
• RQ3 標準的な半導体プロセスを用いて、光源、変調器、検出器の完全統合がどの程度実現可能か？
• RQ4 チップスケールで再構成可能なマイクロ波光プロセッサが通信および情報処理システムに与える影響は何か？
• RQ5 集積マイクロ波光技術は、量子およびニューロモルフィック光技術といった新分野とどのように接点を形成できるか？

主な発見

• ハイブリッド統合を活用した超小型で高帯域幅の電光変調器が実現され、コンactかつ効率的な信号処理が可能になった。
• 集積プラットフォーム内に高Qの光共振器を用いたことで、これまでで最も低い位相ノイズを達成した周波数合成器が実証された。
• 高度な光回路設計により、スペクトル分解能が桁違いに向上したチップスケール信号処理装置が実現された。
• 成熟した半導体プロセスを用いて、光源、変調器、検出器を1チップ上に完全に統合し、多機能的で再構成可能なシステムを実現した。
• マイクロ波光システムと電子制御回路の統合により、プロセッサに類似た再構成可能性と動的機能が実現された。
• 量子光技術およびニューロモルフィック光技術との新たな相乗効果が、今後の研究開発の有望なフロンティアとして同定された。