本公開總體上涉及用于執(zhí)行模擬信號處理的mwp系統(tǒng)。特別地，本公開涉及在mwp系統(tǒng)中使用lnpic來以超高速、芯片級集成、高保真度和低功耗處理模擬電子信號。

背景技術(shù)：

1、無線網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)的快速擴展對底層rf系統(tǒng)的電子帶寬、功耗和性能提出了緊迫的挑戰(zhàn)。不斷發(fā)展的ai技術(shù)還需要超高速、低功率和低延遲的模擬信號處理與計算，其遠遠超出了傳統(tǒng)電子集成電路所能提供的處理與計算。mwp通過使用光學器件執(zhí)行微波信號生成、傳輸和操縱任務，提供了有效的解決方案來應對這些挑戰(zhàn)。最近，光子集成技術(shù)的極速發(fā)展進一步導致mwp系統(tǒng)的尺寸、重量和功率的大幅減小，同時增強了魯棒性和功能，其被稱為集成mwp。經(jīng)典的集成mwp應用包括任意rf波形生成、實時延遲波束形成、瞬時頻率測量[2]等。

2、盡管取得了巨大進展，集成mwp系統(tǒng)在同時擁有芯片級集成、高保真度和低功耗執(zhí)行超高速模擬信號處理任務上，仍然面臨著相當大的挑戰(zhàn)。滿足這些需求的理想光子平臺應支持具有低驅(qū)動電壓、寬帶寬和高線性度的eo調(diào)制器，以將微波信號高保真地轉(zhuǎn)換為光信號，以及通用的低損耗功能器件，以在光域中進一步處理轉(zhuǎn)換后的信號。迄今為止，大多數(shù)mwp應用已在硅光子學[2]中得到展示，因為它成本低廉、易于大規(guī)模制造且功能器件廣泛可用。然而，硅中的基于自由載流子注入的調(diào)制機制本質(zhì)上伴隨著非線性eo響應、大的載流子吸收損耗、有限的響應速度和低功率處理能力，從而導致硅mwp系統(tǒng)中無法同時兼顧信號保真度、功耗和帶寬。inp是mwp系統(tǒng)的另一個有吸引力的平臺，具有在同一芯片上單片集成有源和無源光子元件的潛力[1]。然而，inp波導中相對較大的傳播損耗和較小的折射率差，以及良率問題，很大程度上阻礙了未來大型mwp系統(tǒng)。雖然sin憑借其超低傳播損耗和高功率處理能力而成為出色的mwp平臺，但二階非線性的缺乏阻礙了在單片sin平臺中實現(xiàn)高速eo調(diào)制器。

3、由于這些材料各自的問題，許多集成mwp系統(tǒng)已經(jīng)通過將硅或sin光子芯片與傳統(tǒng)現(xiàn)成的ln調(diào)制器組合，從而實現(xiàn)高級計算和信息處理任務，例如微分、積分和希爾伯特變換[3]-[7]，其代價是增加了體積、系統(tǒng)復雜性和功耗。這種信號處理和計算也在全光路中得到了演示[1]、[8]-[10]，從而提供了可高達幾個thz的潛在處理帶寬[10]。然而，這些演示中的處理的信號通常僅限于由全光技術(shù)(例如鎖模激光器)生成的簡單高斯或高斯衍生波形，而當今迫切需要高速處理能力的信號通常要復雜且隨意得多，且只能從電子域訪問。另一種潛在的解決方案是異質(zhì)技術(shù)[2]、[11]-[13]，其通過異質(zhì)外延生長或晶元鍵合將iii-v族激光器/光電探測器和硅調(diào)制器與低損耗sin無源光子學集成在一起，但需要額外的成本和制造的復雜性。

4、最近出現(xiàn)的薄膜ln平臺，可以將高效eo調(diào)制器和低損耗信號處理器集成在同一芯片上來解決這些緊迫需求和關(guān)鍵挑戰(zhàn)[14]。ln中的泡克爾斯(pockels)效應本質(zhì)上是線性的、瞬時的和低損耗的，非常適合實現(xiàn)低功耗和寬帶寬的高保真度微波-光信號轉(zhuǎn)換[15]。最近，許多小型化和高性能的ln調(diào)制器已經(jīng)被呈現(xiàn)，表現(xiàn)出覆蓋整個微波和毫米波頻帶的帶寬[16]-[18]、cmos兼容的驅(qū)動電壓[19]、[20]和超高線性性能[21]。此外，全系列的高性能和低損耗功能器件現(xiàn)在被賦予在同一平臺上，包括超高q微諧振器[22]、可編程濾波器[23]、高效變頻器/移頻器[7]以及低損耗延遲線[8]。最近，人們將這些元件擴展到具有低傳播損耗和晶元級可制造性的lnpic，進一步提高了朝向潛在高性能、大規(guī)模和多用途lnmwp系統(tǒng)的成本效益和商業(yè)相關(guān)性[9]，[10]。

5、盡管在開發(fā)基于ln材料形成的光學組件方面做出了上述努力，但仍然需要選擇適當?shù)墓鈱W組件以形成光學電路，使得所設(shè)計的光學電路執(zhí)行期望的模擬信號計算功能。本領(lǐng)域存在設(shè)計基于ln平臺的光路以用于模擬信號計算的需要。特別是，光路的目標是形成為ln?mwp集成光路，其各自在同一芯片上包括高速eo調(diào)制器和多用途低損耗信號處理部分，以同時實現(xiàn)模擬信號處理超高速工作、芯片級集成、高保真度和低功耗的優(yōu)點。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、在本公開的第一方面，公開了一種用于執(zhí)行模擬信號處理的第一mwp系統(tǒng)。

2、該第一mwp系統(tǒng)包括lnpic。lnpic包括形成在lnpic中并用于處理模擬電子信號以產(chǎn)生輸出光信號的處理單元。該處理單元包括mzi強度調(diào)制器和一組一個或多個微環(huán)(microring)諧振器。mzi強度調(diào)制器用于模擬電子信號調(diào)制光載波信號的光場以產(chǎn)生調(diào)制光信號。該組中的相應一個或多個微環(huán)諧振器在諧振峰上對齊，并串聯(lián)連接，以形成用于處理調(diào)制光信號以產(chǎn)生輸出光信號的光路。

3、在某些實施例中，單獨的微環(huán)諧振器具有高q因子。從而其使得輸出光信號隨時間的強度與通過對模擬電子信號隨時間執(zhí)行的n階積分而獲得的積分結(jié)果成比例，n是該組中的微環(huán)諧振器的數(shù)量。在某些實施例中，n是1，從而將處理單元配置為用作一階時域積分器。在某些實施例中，n是2，從而將處理單元配置為用作二階時域積分器。

4、在某些實施例中，該組由單個微環(huán)諧振器組成。另外，該單個微環(huán)諧振器形成有用于調(diào)諧該單個微環(huán)諧振器的q因子的可調(diào)諧耦合器。它允許選擇q因子以使輸出光信號隨時間的強度與一階ode的解成比例，從而將處理單元配置為用作一階ode求解器。可調(diào)諧耦合器可以是eo可調(diào)諧耦合器或to可調(diào)諧耦合器。

5、該第一mwp系統(tǒng)還可包括pd，用于從處理單元接收輸出光信號并將接收到的輸出光信號轉(zhuǎn)換為輸出電子信號，從而提取輸出光信號的強度。

6、在該第一mwp系統(tǒng)中，cw激光源可以用于生成光載波信號?？梢詫⒐廨d波信號饋送到處理單元之前采用edfa來放大該光載波信號。連接到cw激光源和edfa的fpc可以用于接收來自cw激光源的光載波信號，從而控制接收到的光載波信號的偏振，并將具有受控偏振的光載波信號轉(zhuǎn)發(fā)到edfa。

7、在第一mwp系統(tǒng)中，awg可以用于生成模擬電子信號。

8、在本公開的第二方面，公開了一種用于執(zhí)行模擬信號處理的第二mwp系統(tǒng)。

9、該第二mwp系統(tǒng)包括lnpic。該lnpic包括形成在lnpic中并用于處理模擬電子信號以產(chǎn)生輸出光信號的處理單元。該處理單元包括eo相位調(diào)制器和一組一個或多個不平衡mzi。該eo相位調(diào)制器用于用模擬電子信號調(diào)制光載波信號的相位以產(chǎn)生調(diào)制光信號。該組中的相應的一個或多個不平衡mzi串聯(lián)連接來形成光路，用于處理調(diào)制光信號以產(chǎn)生輸出光信號。單獨的不平衡mzi在預定點處偏置，使得輸出光信號隨時間的光場或強度與通過對模擬電子信號隨時間進行n階微分而獲得的微分結(jié)果成比例，n是該組中的不平衡mzi的數(shù)量。

10、用于偏置的預定點可以是零點，以便使得輸出光信號的隨時間變化的光場與所獲得的微分結(jié)果成比例。備選地，預定點可以是正交點，使得輸出光信號隨時間的強度與獲得的微分結(jié)果成比例。

11、在某些實施例中，n是1，從而將處理單元配置為用作一階時域微分器。

12、在某些實施例中，n是2，從而將處理單元配置為用作二階時域微分器。

13、該第二mwp系統(tǒng)還可以包括pd，用于從處理單元接收輸出光信號并將接收到的輸出光信號轉(zhuǎn)換為輸出電子信號，從而提取輸出光信號的強度。

14、在該第二mwp系統(tǒng)中，cw激光源可以用于生成光載波信號?？梢栽趯⒐廨d波信號饋送到處理單元之前采用edfa來放大該光載波信號。連接到cw激光源和edfa的fpc可以用于接收來自cw激光源的光載波信號，控制接收到的光載波信號的偏振，并將具有受控偏振的光載波信號轉(zhuǎn)發(fā)到edfa。

15、在該第二mwp系統(tǒng)中，awg可以用于生成模擬電子信號。

16、在本公開的第三方面，公開了用于執(zhí)行模擬信號處理的第三mwp系統(tǒng)。

17、該第三mwp系統(tǒng)包括lnpic。lnpic包括形成在該lnpic中并用于處理模擬電子信號以產(chǎn)生輸出光信號的處理單元。該處理單元包括mzi強度調(diào)制器和光路。mzi強度調(diào)制器用于用模擬電子信號調(diào)制光載波信號的光場以產(chǎn)生調(diào)制光信號。光路用于處理調(diào)制光信號以產(chǎn)生輸出光信號。光路通過串聯(lián)地級聯(lián)可調(diào)諧耦合器和一組一個或多個串聯(lián)連接的不平衡mzi而形成。可調(diào)諧耦合器配置為將調(diào)制光信號分成具有可控功率分配比的一對分離光信號，并將該對分離光信號饋送到該組一個或多個不平衡mzi。單獨的不平衡mzi在預定點處偏置。特別地，選擇可控功率分配比和預定點，以使輸出光信號隨時間的光場或強度與通過對模擬電子信號隨時間進行分數(shù)階微分而獲得的微分結(jié)果成比例。

18、在某些實施例中，可調(diào)諧耦合器是eo開關(guān)或to開關(guān)。eo開關(guān)可以通過與eo控制電極集成的第一mzi或第一微環(huán)諧振器來實現(xiàn)。to開關(guān)可以通過與to控制電極集成的第二mzi或第二微環(huán)諧振器來實現(xiàn)。

19、該第三mwp系統(tǒng)還可以包括pd，用于從處理單元接收輸出光信號，并將接收到的輸出光信號轉(zhuǎn)換為輸出電子信號，從而提取輸出光信號的強度。

20、在該第三mwp系統(tǒng)中，cw激光源可以用于生成光載波信號?？梢詫⒐廨d波信號饋送到處理單元之前采用edfa來放大該光載波信號。連接到cw激光源和edfa的fpc可以用于接收來自cw激光源的光載波信號，控制接收到的光載波信號的偏振，并將具有受控偏振的光載波信號轉(zhuǎn)發(fā)到edfa。

21、在該第三mwp系統(tǒng)中，awg可以用于生成模擬電子信號。

22、在本公開的第四方面，公開了用于執(zhí)行模擬信號處理的第四mwp系統(tǒng)。

23、該第四mwp系統(tǒng)包括lnpic。lnpic包括形成在該lnpic中并用于處理模擬電子信號以產(chǎn)生至少一個輸出光信號的處理單元。該處理單元包括調(diào)制器、第一光交換網(wǎng)絡和多個光路。調(diào)制器用于利用模擬電子信號調(diào)制光載波信號以產(chǎn)生調(diào)制光信號。單獨的光路布置為接收調(diào)制光信號并且配置為對調(diào)制光信號執(zhí)行光處理功能以生成光輸出。第一光交換網(wǎng)絡用于將調(diào)制光信號可控地路由到從多個光路中選擇的一個或多個光路，從而可控制地配置處理單元以執(zhí)行所選擇的一個或多個光路的一個或多個相應的光處理功能。結(jié)果，生成一個或多個相應的光輸出作為至少一個輸出光信號。

24、優(yōu)選地，第一光交換網(wǎng)絡包括一個或多個光開關(guān)。單獨的光開關(guān)可以是eo開關(guān)或to開關(guān)。eo開關(guān)可以通過與eo控制電極集成的第一mzi或第一微環(huán)諧振器來實現(xiàn)。to開關(guān)可以通過與to控制電極集成的第二mzi或第二微環(huán)諧振器來實現(xiàn)。

25、在某些實施例中，處理單元還包括第二光交換網(wǎng)絡，用于可控地選擇由多個光路生成的相應光輸出之一以形成單個輸出光信號。

26、優(yōu)選地，第二光交換網(wǎng)絡包括一個或多個光開關(guān)。單獨的光開關(guān)可以是eo開關(guān)或to開關(guān)。eo開關(guān)可以通過與eo控制電極集成的第三mzi或第三微環(huán)諧振器來實現(xiàn)。to開關(guān)可以通過與to控制電極集成的第四mzi或第四微環(huán)諧振器來實現(xiàn)。

27、通常，調(diào)制器選自由mzi強度調(diào)制器和eo相位調(diào)制器組成的組。mzi強度調(diào)制器配置為用模擬電子信號來調(diào)制光載波信號的光場。eo相位調(diào)制器配置為利用模擬電子信號來調(diào)制光載波信號的相位。

28、通常，單獨的光路選自由以下各項組成的組：第一光路，其由諧振峰對齊并串聯(lián)連接的第一組一個或多個微環(huán)諧振器形成；由單個微環(huán)諧振器形成的第二光路，其中，該單個微環(huán)諧振器形成有第一可調(diào)諧耦合器，用于調(diào)諧該單個微環(huán)諧振器的q因子；第三光路，由串聯(lián)連接的第三組一個或多個不平衡mzi而成；以及第四光路，通過順序地級聯(lián)第二可調(diào)諧耦合器和串聯(lián)連接的第四組一個或多個不平衡mzi而形成。

29、該第四mwp系統(tǒng)還可以包括pd，用于從處理單元接收輸出光信號并將接收到的輸出光信號轉(zhuǎn)換為輸出電子信號，從而提取輸出光信號的強度。

30、在該第四mwp系統(tǒng)中，cw激光源可以用于生成光載波信號。可以在將光載波信號饋送到處理單元之前采用edfa來放大該光載波信號。連接到cw激光源和edfa的fpc可以用于接收來自cw激光源的光載波信號，控制接收到的光載波信號的偏振，并將具有受控偏振的光載波信號轉(zhuǎn)發(fā)到edfa。

31、在該第四mwp系統(tǒng)中，awg可以用于生成模擬電子信號。

32、本公開的其他方面如通過下文的實施例所例示的那樣被公開。