[論文レビュー] An optical micro-comb with a 50GHz free spectral range for photonic microwave true time delays

Xingyuan Xu, Jiayang Wu+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 30被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、50 GHzの自由スペクトル範囲（FSR）を有する統合マイクロリングレゾネータ（MRR）ケラーオプティカルコンブソースを提案し、コンactで低コストな光子機械的マイクロ波真遅延ライン（TTDL）を実現した。Cバンド全域にわたる81チャンネルのコンブは、位相配列アレー（PAA）における高い角度分解能と広いビームステアリング範囲を提供し、システムのサイズと複雑さを低減しながら性能を顕著に向上させた。

ABSTRACT

We demonstrate significantly improved performance of a microwave true time delay line (TTDL) based on an integrated micro-ring resonator (MRR) Kerr optical comb source with a channel spacing of 49GHz, corresponding to 81 channels over the C-band. The broadband microcomb, with a record low free spectral range of 49GHz, results in a large number of comb lines for the TTDL, greatly reducing the size, cost, and complexity of the system. The large channel count results in a high angular resolution and wide beam steering tunable range of the phased array antenna (PAA). The enhancement of PAA performance matches well with theory, corroborating the feasibility of our approach as a competitive solution towards implementing compact low-cost TTDL in radar and communications systems.

研究の動機と目的

• レーダーおよび通信システムに応用可能なコンパクトで低コストな光子機械的マイクロ波真遅延ライン（TTDL）の開発を目的とする。
• 従来のTTDLが抱える大型化、高コスト、複雑な構造といった制限を克服することを目的とする。
• 統合マイクロコンブ技術を活用し、1チップで高チャンネル数と細かい周波数分解能を実現することを目的とする。
• 低FSRマイクロコンブを用いた高性能ビームステアリングの実現可能性を実証することを目的とする。

提案手法

• 49 GHzのチャネル間隔を有するケラーオプティカル周波数コンブを生成するために、窒化ケイ素マイクロリングレゾネータ（MRR）を用いた。
• 自由スペクトル範囲（FSR）を49 GHzとして達成し、Cバンド（1530–1565 nm）にわたって81本のコンブラインを実現した。
• 広帯域マイクロコンブソースを用いて、マイクロ波信号処理のための複数の光キャリアを励起した。
• 時間遅延がコンブライン間の位相シフトによって誘発される光子TTDLアーキテクチャを実装した。
• コンブの高チャンネル数を活用し、位相配列アレーにおける細かい角度分解能と広帯域チューナブルビームステアリングを実現した。
• 理論的モデリングとシミュレーションを通じてシステム性能を検証し、実験的傾向と整合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 50 GHz FSRを有するマイクロコンブは、マイクロ波ビームフォーミングに適したコンパクトで低コストな光子機械的TTDLを実現できるか？
• RQ2 マイクロコンブに81ラインの高チャンネル数を有することは、位相配列アレーにおける角度分解能とビームステアリング範囲をどのように向上させるか？
• RQ3 従来のTTDLと比較して、統合MRRベースのマイクロコンブは、システムサイズ、コスト、複雑さをどの程度低減できるか？
• RQ4 低FSRマイクロコンブソースを用いることで、ビームステアリング性能に理論的および実用的においてどの程度の向上が得られるか？
• RQ5 マイクロコンブベースのTTDLの性能は、位相配列システムにおける理論的予測と一貫しているか？

主な発見

• マイクロコンブは、記録的な低FSRである49 GHzを達成し、Cバンド全域にわたって81本のコンブラインを実現した。
• 高チャンネル数のおかげで、位相配列アレーにおける角度分解能とビームステアリングのチューナブル範囲が顕著に向上した。
• システムは、ハードウェアの複雑さを低減したコンパクトで低コストな光子機械的マイクロ波TTDLソリューションを実証した。
• ビームステアリング性能の理論的予測は実験結果と一致し、設計アプローチの妥当性が裏付けられた。
• 統合MRRベースのマイクロコンブは、スケーラブルでチップレベルの高機能TTDL実装を可能にした。
• 50 GHz FSRマイクロコンブは、最小限の位相リップルと高い安定性を有し、広帯域マイクロ波信号処理を支援した。