[论文解读] 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 7

一句话总结

本文综述了集成微波光子学的最新进展，重点介绍了混合材料平台的集成，以实现超小型、高带宽的电光调制器、低噪声频率合成器以及具有增强光谱分辨率的芯片级信号处理器。其主要贡献在于展示了采用成熟半导体制造工艺的全集成、可重构微波光子芯片，实现了通信与信息系统中类似电子处理的多功能处理能力。

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.

研究动机与目标

• 综述光子集成的最新突破，以实现高性能微波光子系统。
• 探讨混合材料平台如何增强光与物质的相互作用，从而提升器件性能。
• 展示在单一平台上集成光源、调制器和探测器的全集成微波光子芯片的可行性。
• 探讨这些进展对未来在通信与信息处理系统中应用的影响。
• 识别集成微波光子学与量子/神经形态光子学之间新兴的协同效应。

提出的方法

• 利用混合材料集成（如III-V族材料在硅上的外延）以增强电光效应并减小器件尺寸。
• 采用大规模半导体制造工艺，将光源、调制器和探测器单片集成于同一芯片上。
• 利用先进的光子电路设计，在片上信号处理器中实现高光谱分辨率和宽频带。
• 利用集成平台中高Q值光子谐振器实现的低相位噪声频率合成技术。
• 通过片上可编程相移器和可调谐滤波器设计可重构光子处理器。
• 将光子组件与电子控制电路集成，以实现类似电子处理器的动态功能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用混合材料平台增强集成微波光子器件中光与物质的相互作用？
• RQ2 通过光子集成，电光调制器和频率合成器的性能提升可达何种程度？
• RQ3 在标准半导体工艺下，能否在单芯片上实现光源、调制器和探测器的完全集成？
• RQ4 芯片级、可重构微波光子处理器对通信与信息处理系统具有何种影响？
• RQ5 集成微波光子学如何与新兴领域（如量子和神经形态光子学）实现融合？

主要发现

• 通过混合集成实现了超小型、高带宽的电光调制器，实现了紧凑高效的信号处理。
• 利用集成平台中的高Q值光子谐振器，实现了迄今最低相位噪声的频率合成器。
• 通过先进的光子电路设计，实现了光谱分辨率提升数个数量级的芯片级信号处理器。
• 采用成熟的半导体制造工艺，在单芯片上成功实现了光源、调制器和探测器的完全集成，从而实现了多功能且可重构的系统。
• 微波光子系统与电子控制的集成，实现了类似处理器的可重构性和动态功能。
• 识别出与量子和神经形态光子学之间新兴的协同效应，为未来研发提供了有前景的前沿方向。