[论文解读] First and second order all-optical integrating functions in a photonic integrated circuit

Marcello Ferrera, Yongwoo Park+6 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 15被引用 22

一句话总结

该论文展示了一种基于CMOS兼容掺杂玻璃微环谐振器的集成光子集成电路，实现了任意光波形的一阶和二阶全光积分。该器件在超过400 GHz的带宽下实现了亚2 ps时间分辨率的时域积分，能够实现实时处理超快光信号，并在光计算和微分方程分析等领域具有潜在应用价值。

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.

研究动机与目标

• 开发一种能够实现任意光波形全光时域积分的集成光子电路。
• 在超快光信号处理中实现一阶和二阶积分，时间分辨率低于2 ps。
• 在CMOS兼容平台上实现超过400 GHz的宽带操作，以支持可扩展的光子计算应用。
• 通过紧凑的集成器件实现实时光学积分，用于微分方程的实时分析。

提出的方法

• 该器件采用与CMOS工艺兼容的掺杂玻璃技术制造的四端口微环谐振器。
• 通过微环结构的谐振滤波特性和相位累积特性实现时域积分。
• 通过利用谐振器的传输函数和耦合系数，配置系统以实现时间累积积分。
• 通过级联或调节谐振器的响应，实现一阶和二阶积分。
• 该器件的工作带宽超过400 GHz，能够处理时间特征短至约1.9 ps的光信号。
• 通过测量的传输函数和输入波形响应，对理论和实验结果进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 集成光子电路能否在亚2 ps时间分辨率下实现对任意光波形的全光时域积分？
• RQ2 在CMOS兼容平台上，一阶和二阶光学积分的最大工作带宽是多少？
• RQ3 微环谐振器的响应如何实现光信号在时间域的累积积分？
• RQ4 该器件能否支持超快光信号的实时处理，以应用于光计算和脉冲整形？

主要发现

• 该器件成功实现了对时间特征短至约1.9 ps的光波形的一阶和二阶全光积分。
• 系统带宽超过400 GHz，能够在紧凑的集成光子电路中处理超快光信号。
• 掺杂玻璃技术的微环谐振器通过调节耦合和共振条件，支持一阶和二阶积分。
• 实验结果验证了理论传输函数，并在宽动态范围内展示了精确的时域积分性能。
• 该器件与CMOS制造工艺兼容，为未来光计算和信号处理系统的可扩展集成提供了可能。