Convolutional neural networks (CNNs), inspired by biological visual cortex systems, are a powerful category of artificial neural networks that can extract the hierarchical features of raw data to greatly reduce the network parametric complexity and enhance the predicting accuracy. They are of significant interest for machine learning tasks such as computer vision, speech recognition, playing board games and medical diagnosis. Optical neural networks offer the promise of dramatically accelerating computing speed to overcome the inherent bandwidth bottleneck of electronics. Here, we demonstrate a universal optical vector convolutional accelerator operating beyond 10 TeraFLOPS (floating point operations per second), generating convolutions of images of 250,000 pixels with 8 bit resolution for 10 kernels simultaneously, enough for facial image recognition. We then use the same hardware to sequentially form a deep optical CNN with ten output neurons, achieving successful recognition of full 10 digits with 900 pixel handwritten digit images with 88% accuracy. Our results are based on simultaneously interleaving temporal, wavelength and spatial dimensions enabled by an integrated microcomb source. This approach is scalable and trainable to much more complex networks for demanding applications such as unmanned vehicle and real-time video recognition.

In the past decade, optical frequency combs generated by high-Q micro-resonators, or micro-combs, which feature compact device footprints, high energy efficiency, and high-repetition-rates in broad optical bandwidths, have led to a revolution in a wide range of fields including metrology, mode-locked lasers, telecommunications, RF photonics, spectroscopy, sensing, and quantum optics.Among these, an application that has attracted great interest is the use of micro-combs for RF photonics, where they offer enhanced functionalities as well as reduced size and power consumption over other approaches.This article reviews the recent advances in this emerging field.We provide an overview of the main achievements that have been obtained to date, and highlight the strong potential of micro-combs for RF photonics applications.We also discuss some of the open challenges and limitations that need to be met for practical applications. I.

We demonstrate advanced transversal radio frequency (RF) and microwave functions based on a Kerr optical comb source generated by an integrated micro-ring resonator.We achieve extremely high performance for an optical true time delay aimed at tunable phased array antenna applications, as well as reconfigurable microwave photonic filters.Our results agree well with theory.We show that our true time delay would yield a phased array antenna with features that include high angular resolution and a wide range of beam steering angles, while the microwave photonic filters feature high Q factors, wideband tunability, and highly reconfigurable filtering shapes.These results show that our approach is a competitive solution to implementing reconfigurable, high performance and potentially low cost RF and microwave signal processing functions for applications including radar and communication systems.Photonic RF and microwave devices featuring delay-line (i.e., transversal) structures require multiple channel RF time delays.Traditionally, this has been achieved via discrete laser arrays [16,[22][23][24] or FBG arrays [14-15], which, although offering advantages, have resulted in significantly increased complexity, as well as reduced performance due to a limited number of optical wavelengths and other factors.Alternative approaches, including those based on optical frequency comb (OFC) sources [12], can mitigate this problem, although they too can suffer from drawbacks such as the need for cascaded high frequency electro-optic (EO) [2,[25][26][27][28][29][30] and Fabry-Perot EO [31] modulators that in turn require high-frequency RF sources.Kerr micro-comb sources [32][33][34][35][36][37][38][39], particularly those based on CMOS-compatible platforms featuring a high nonlinear figure of merit [34][35][36], offer many advantages over discrete laser sources, such as the potential to provide a much higher number of wavelengths, a greatly reduced footprint and complexity, as well as significantly improved performance.In particular, for RF transversal functions the number of wavelengths dictates the available channel number of RF time delays.For PAAs, the number of radiating elements determines the beam-width, and so improved angular resolution can be achieved by enlarging the channel number.Similarly, for MPFs, extending the number of taps (channels) results in an increased filtering quality factor (QRF) and time-bandwidth product.In this paper, we propose and demonstrate advanced transversal photonic microwave and RF signal processing functions.We report the first multi-channel RF tunable microwave true time delay lines for PAAs based on an integrated on-chip micro-ring resonator (MRR) optical frequency comb source.By generating a broadband Kerr comb with a large number of comb lines, we significantly improve the performance and reduce the size, potential cost, and complexity of the true time delay device.By programming and shaping the optical comb, we show that this device is capable of achieving record high angular resolution and a wide range of beam steering angles with very little beam "squint" (variation in beam steering angle with RF frequency).Further, we demonstrate highly reconfigurable microwave filters by achieving a range of new functions including low pass, half-band highpass, half-band lowpass, band-stop, Nyquist, and bandpass microwave photonic filters (MPFs).We achieve wide center frequency tunability for the bandpass filters without the need for hardware tuning devices such as tunable delay lines, i..e., by only adjusting the tap weights.Our experimental results agree with theory, verifying the feasibility of our approach towards the realization of high performance, versatile, microwave and RF signal transversal processing functions with potentially lower cost and footprint than other solutions.The rest of the paper is organized as follows: Section 2 introduces the RF and microwave true time delays based on Kerr combs and their applications to PAAs and MPFs.The details of the MRR for comb generation are described as well.In Section 3, we introduce the PAA based on the RF true time delays and analyze the enhanced performance brought about by the use of Kerr combs.Section 4 introduces the microwave photonic filters based on RF true time delays, and demonstrates the enhancement in Q factor brought about by the use of Kerr combs as well as the versatile filter functions achieved by means of line-by-line comb shaping.Section 5 concludes the paper.

We report a broadband RF channelizer based on an integrated optical frequency Kerr micro-comb source, with an RF channelizing bandwidth of 90 GHz, a high RF spectral slice resolution of 1.04 GHz, and experimentally verify the RF performance up to 19 GHz. This approach of realizing RF channelizers offers reduced complexity, size, and potential cost for a wide range of applications to microwave signal detection.

We propose and experimentally demonstrate a microwave photonic intensity differentiator based on a Kerr optical comb generated by a compact integrated micro-ring resonator (MRR). The on-chip Kerr optical comb, containing a large number of comb lines, serves as a high-performance multi-wavelength source for implementing a transversal filter, which will greatly reduce the cost, size, and complexity of the system. Moreover, owing to the compactness of the integrated MRR, frequency spacings of up to 200-GHz can be achieved, enabling a potential operation bandwidth of over 100 GHz. By programming and shaping individual comb lines according to calculated tap weights, a reconfigurable intensity differentiator with variable differentiation orders can be realized. The operation principle is theoretically analyzed, and experimental demonstrations of the first-, second-, and third-order differentiation functions based on this principle are presented. The radio frequency amplitude and phase responses of multi-order intensity differentiations are characterized, and system demonstrations of real-time differentiations for a Gaussian input signal are also performed. The experimental results show good agreement with theory, confirming the effectiveness of our approach.

We demonstrate a photonic radio frequency (RF) transversal filter based on an integrated optical micro-comb source featuring a record low free spectral range of 49 GHz yielding 80 micro-comb lines across the C-band. This record-high number of taps, or wavelengths for the transversal filter results in significantly increased performance including a QRF factor more than four times higher than previous results. Further, by employing both positive and negative taps, an improved out-of-band rejection of up to 48.9 dB is demonstrated using Gaussian apodization, together with a tunable centre frequency covering the RF spectra range, with a widely tunable 3-dB bandwidth and versatile dynamically adjustable filter shapes. Our experimental results match well with theory, showing that our transversal filter is a competitive solution to implement advanced adaptive RF filters with broad operational bandwidths, high frequency selectivity, high reconfigurability, and potentially reduced cost and footprint. This approach is promising for applications in modern radar and communications systems.

We demonstrate high-resolution photonic RF filters using an RF bandwidth scaling approach based on integrated Kerr optical micro-combs. By employing both an active nonlinear micro-ring resonator (MRR) as a high-quality micro-comb source and a passive high-Q MRR to slice the RF spectra modulated on the shaped comb, a large RF instantaneous bandwidth of 4.64 GHz and a high resolution of 117 MHz are achieved, together with a broad RF operation band covering 3.28–19.4 GHz (L to Ku bands) using thermal tuning. We achieve programmable RF transfer functions including binary-coded notch filters and RF equalizing filters with reconfigurable slopes. Our approach is an attractive solution for RF spectral shaping with high performance and flexibility.

We demonstrate photonic RF phase encoding based on an integrated micro-comb source. By assembling single-cycle Gaussian pulse replicas using a transversal filtering structure, phase encoded waveforms can be generated by programming the weights of the wavelength channels. This approach eliminates the need for RF signal generators for RF carrier generation or arbitrary waveform generators for phase encoded signal generation. A large number of wavelengths - up to 60 - were provided by the microcomb source, yielding a high pulse compression ratio of 30. Reconfigurable phase encoding rates ranging from 2 to 6 Gb/s were achieved by adjusting the length of each phase code. This article demonstrates the significant potentials of this microcomb-based approach to achieve high-speed RF photonic phase encoding with low cost and footprint.

We report a photonic microwave and RF fractional Hilbert transformer based on an integrated Kerr micro-comb source. The micro-comb source has a free spectral range (FSR) of 50GHz, generating a large number of comb lines that serve as a high-performance multi-wavelength source for the transformer. By programming and shaping the comb lines according to calculated tap weights, we achieve both arbitrary fractional orders and a broad operation bandwidth. We experimentally characterize the RF amplitude and phase response for different fractional orders and perform system demonstrations of real-time fractional Hilbert transforms. We achieve a phase ripple of < 0.15 rad within the 3-dB pass-band, with bandwidths ranging from 5 to 9 octaves, depending on the order. The experimental results show good agreement with theory, confirming the effectiveness of our approach as a new way to implement high-performance fractional Hilbert transformers with broad processing bandwidth, high reconfigurability, and greatly reduced size and complexity.

We demonstrate narrowband orthogonally polarized optical radio frequency (RF) single sideband generation as well as dual-channel equalization based on an integrated dual-polarization-mode high-Q microring resonator. The device operates in the optical communications band and enables narrowband RF operation at either 16.6 or 32.2 GHz, determined by the free spectral range and TE/TM mode interval in the resonator. We achieve a very large dynamic tuning range of over 55 dB for both the optical carrier-to-sideband ratio and the dual-channel RF equalization.