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.

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.

We report a broadband microwave frequency converter based on a coherent Kerr optical micro-comb generated by an integrated micro-ring resonator. The coherent micro-comb displays features that are consistent with soliton crystal dynamics with a free spectral range of 48.9 GHz. We use this to demonstrate a high-performance millimeter-wave local oscillator for microwave frequency conversion. We experimentally verify the microwave performance up to 40 GHz, achieving a ratio of -6.8 dB between output radio frequency power and intermediate frequency power and a spurious suppression ratio of >43.5 dB. The experimental results show good agreement with theory and verify the effectiveness of microwave frequency converters based on coherent optical micro-combs, with the ability to achieve reduced size, complexity, and potential cost.

We demonstrate a continuously RF tunable orthogonally polarized optical single sideband (OP-OSSB) generator based on dual cascaded micro-ring resonators. By splitting the input double sideband signal into an orthogonally polarized carrier and lower sideband via TE- and TM-polarized MRRs, an OP-OSSB signal is generated. A large tuning range of the optical carrier to sideband ratio of up to 57.3 dB is achieved by adjusting the polarization angle of the input light. The operation RF frequency of the OP-OSSB generator can be continuously tuned with a 21.4 GHz range via independent thermal control of the two MRRs. Our device represents a competitive approach towards OP-OSSB generation with wideband tunable RF operation, and is promising for photonic RF signal transmission and processing in radar and communication systems.

Micro-combs [1 - 4], optical frequency combs generated by integrated micro-cavity resonators, offer the full potential of their bulk counterparts [5,6], but in an integrated footprint. The discovery of temporal soliton states (DKS dissipative Kerr solitons) [4,7-11] as a means of modelocking microcombs has enabled breakthroughs in many fields including spectroscopy [12,13], microwave photonics [14], frequency synthesis [15], optical ranging [16,17], quantum sources [18,19], metrology [20,21] and more. One of their most promising applications has been optical fibre communications where they have enabled massively parallel ultrahigh capacity multiplexed data transmission [22,23]. Here, by using a new and powerful class of microcomb called soliton crystals [11], we achieve unprecedented data transmission over standard optical fibre using a single integrated chip source. We demonstrate a line rate of 44.2 Terabits per second using the telecommunications C band at 1550nm with a spectral efficiency, a critically important performance metric, of 10.4 bits/s/Hz. Soliton crystals exhibit robust and stable generation and operation as well as a high intrinsic efficiency that, together with a low soliton microcomb spacing of 48.9 GHz enable the use of a very high coherent data modulation format of 64 QAM (quadrature amplitude modulated). We demonstrate error free transmission over 75 km of standard optical fibre in the laboratory as well as in a field trial over an installed metropolitan optical fibre network. These experiments were greatly aided by the ability of the soliton crystals to operate without stabilization or feedback control. This work demonstrates the capability of optical soliton crystal microcombs to perform in demanding and practical optical communications networks.

We report a photonic radio frequency (RF) fractional differentiator based on an integrated Kerr micro-comb source. The micro-comb source has a free spectral range (FSR) of 49 GHz, generating a large number of comb lines that serve as a high-performance multi-wavelength source for the differentiator. By programming and shaping the comb lines according to calculated tap weights, arbitrary fractional orders ranging from 0.15 to 0.90 are achieved over a broad RF operation bandwidth of 15.49 GHz. We experimentally characterize the frequency-domain RF amplitude and phase responses as well as the temporal responses with a Gaussian pulse input. The experimental results show good agreement with theory, confirming the effectiveness of our approach towards high-performance fractional differentiators featuring broad processing bandwidth, high reconfigurability, and potentially greatly reduced size and cost.