[論文レビュー] Digital-photonic synthesis of ultra-low noise tunable signals from RF to 100 GHz

Tara M. Fortier, Antoine Rolland+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2015

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ひとこと要約

本論文では、光周波数分割（OFD）を活用して、2 Hz未満の分数周波数不安定性を持つ時間ベースを導出することで、100 GHzまでの超低位相ノイズで広帯域にわたるRF信号を生成するデジタル光子合成器（DPS）を提案する。DPSは100 GHzで、最新のソースと比較して位相ノイズ性能が7桁以上優れている。この性能は、次世代の通信、レーダー、計測応用における高精度周波数合成を可能にする。

ABSTRACT

The demand for higher data rates and better synchronization in communication and navigation systems necessitates the development of new wideband and tunable sources with noise performance exceeding that provided by traditional oscillators and synthesizers. Precision synthesis is paramount for providing frequency references and timing in a broad range of applications including next-generation telecommunications, high precision measurement, and radar and sensing. Here we describe a digital-photonic synthesizer (DPS) based on optical frequency division that enables the generation of widely tunable signals from near DC to 100 GHz with a fractional frequency instability of 1 part in 10^15. The spectral purity of the DPS derived signals represents an improvement in close-to-carrier noise performance over the current state-of-the-art of nearly 7 orders of magnitude in the W-band (100 GHz), and up to 5 orders of magnitude in the X-band (10 GHz).

研究の動機と目的

• 従来の電子的合成器を上回る位相ノイズ性能を有する、広帯域かつ可変周波数の信号源の開発。
• 高周波帯のマイクロ波およびミリ波システムにおける石英発振子のノイズ制限を克服すること。
• DCから100 GHzまでの精密かつ迅速な周波数合成を可能にし、分数周波数不安定性が10⁻¹⁵未満となること。
• 通信、レーダー、高精度計測応用に適したスペクトル純度と安定性を有すること。
• 光周波数分割と直接デジタル合成（DDS）および光電子的倍頻を統合し、広帯域かつ低ノイズの信号生成を実現すること。

提案手法

• Q ~ 10¹¹の超高安定光キャビティに518 THzの光参照周波数を安定化させ、低ノイズ時間ベースを提供する。
• 10⁵倍の光周波数分割（OFD）により、2 GHz繰返し周波数で、2 Hz未満の分数不安定性を持つマイクロ波周波数コンブを生成する。
• OFDコンブの2 GHz基本調波を、直接デジタル合成器（DDS）のクロックとして用い、DCから800 MHzまでの位相可変RF信号を生成する。
• Xバンド（10 GHz）およびWバンド（100 GHz）の周波数帯域は、IQミキサーと電気光変調器を用いた光電子的倍頻により生成する。
• 100 GHz信号の生成には、200 mWの連続波レーザーを電気光変調器（EOM）を介して2つの10 GHz信号で位相変調し、100 GHzファイバー結合エタロンが±5次光側帯を選択する。
• WバンドUTC光検出器を用いて100 GHz光側帯を光検出することで、-5 dBm出力電力および1デバイスあたり15 mW入射光パワーの100 GHzマイクロ波信号を得る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光周波数分割が、RFから100 GHz帯域にわたる超低ノイズ合成を可能にする十分な安定性を持つ時間ベースを提供できるか？
• RQ2 デジタル光子合成が、広帯域の可変周波数と同時に10⁻¹⁵未満の分数周波数不安定性を達成できるか？
• RQ3 ミリ波周波数帯域において、従来の電子的合成と比較して、光電子的倍頻がどの程度位相ノイズ性能を向上させられるか？
• RQ4 DPSを用いた100 GHz信号源の近接位相ノイズ性能はどの程度達成可能であり、最新の技術と比較してどうなるか？
• RQ5 独立した位相整合性を持つ100 GHz信号を生成し、十分な精度で比較可能か？これによりシステムの安定性とスペクトル純度が検証可能か？

主な発見

• DPSは1秒平均で10¹⁵分の1の分数周波数不安定性を達成し、2 GHz時間ベースの2 Hz未満の安定性を示した。
• 100 GHzでの近接位相ノイズ性能は、現在の最先端技術と比較してほぼ7桁優れている。
• 10 GHzでの位相ノイズ性能は、既存のシステムと比較して最大5桁改善された。
• 100 GHz信号の位相ノイズフロアは、キャリアパワーに対して18桁未満に近い、ほぼ量子制限に近いノイズ性能を示した。
• IQミキサーにおけるイメージおよび局所発振器抑圧は約30 dB達成され、振幅および位相のバランス調整によりさらなる改善が可能である。
• 同一の合成器2台で独立して生成された100 GHz信号は、システムの理論的限界と整合する位相ノイズおよび周波数安定性を示し、コherencyおよび安定性の妥当性を検証した。