[論文レビュー] Integrated optical frequency division for stable microwave and mmWave generation

Shuman Sun, Beichen Wang+15 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、光学周波数分割を用いて超低位相ノイズのマイクロ波およびmmWave信号を生成する、チップスケールでCMOS互換性のある統合光デバイスを提示している。2つの半導体レーザーを大モードボリュームの平面波ガイド基準キャビティにロックし、SiN波ガイド結合型マイクロレゾネータにおけるソリトンマイクロコムを活用することで、従来の統合光デバイスオシレーターを上回る20 dB以上の改善を達成した記録的な低位相ノイズを実現。100 GHzで9 dBmの高出力mmWave信号も生成可能である。

ABSTRACT

The generation of ultra-low noise microwave and mmWave in miniaturized, chip-based platforms can transform communication, radar, and sensing systems. Optical frequency division that leverages optical references and optical frequency combs has emerged as a powerful technique to generate microwaves with superior spectral purity than any other approaches. We demonstrate a miniaturized optical frequency division system that can potentially transfer the approach to a CMOS-compatible integrated photonic platform. Phase stability is provided by a large-mode-volume, planar-waveguide-based optical reference coil cavity and is divided down from optical to mmWave frequency by using soliton microcombs generated in a waveguide-coupled microresonator. Besides achieving record-low phase noise for integrated photonic microwave/mmWave oscillators, these devices can be heterogeneously integrated with semiconductor lasers, amplifiers, and photodiodes, holding the potential of large-volume, low-cost manufacturing for fundamental and mass-market applications.

研究の動機と目的

• 統合光デバイスマイクロ波オシレーターにおける位相安定性と非線形効率のトレードオフを克服するため、安定性と周波数コンブ生成の機能を分離すること。
• ボリューム光学周波数分割システムに匹敵する性能を実現する、チップ統合型で低位相ノイズのマイクロ波およびmmWave信号生成を可能にすること。
• 小型化され量産可能なプラットフォーム上で、高スペクトル純度と高出力パワーを同時に達成すること。
• SiN基準キャビティ、マイクロレゾネータ、レーザー、増幅器、光検出器を1チップ上に異種統合する可能性を実証すること。

提案手法

• 4メートルの長さの平面波ガイド型光学基準コイルキャビティに商用半導体レーザーを周波数ロックすることで、高い位相安定性を実現。
• 波ガイド結合型SiNマイクロレゾネータを用いて、マイクロ波およびmmWave周波数分割に適した繰り返し周波数を持つソリトン周波数コンブを生成。
• ポンプレーザー周波数のフィードバック制御を実装し、ソリトンマイクロコムを基準レーザーにロックすることで、光学的安定性をRF領域に coherent に転送。
• チップ上に統合されたフラップチップボンディング型InPベースのCC-MUTC光検出器を用いてソリトンコンブを効率的に検出し、100 GHzで高出力mmWave信号を生成。
• mmWave周波数分割を適用し、高周波数のmmWave出力から低周波数のマイクロ波信号を生成。
• 二tone遅延自己混合干渉計測定および直接的な電気的位相ノイズ測定を用いて、光学ドメインからmmWave出力への位相ノイズ転送を検証。

Figure 1: Conceptual illustration of integrated optical frequency division. (a) Simplified schematic. A pair of lasers that are stabilized to an integrated coil reference cavity serve as the optical references and provide phase stability for the mmWave/microwave oscillator. The relative frequency di

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に統合された光デバイスプラットフォームが、ボリューム光学周波数分割システムと同等の位相ノイズ性能を達成できるか？
• RQ2 チップ上に実装された大モードボリューム平面波ガイド基準キャビティが、低ノイズのマイクロ波およびmmWave信号生成に十分な位相安定性を提供できるか？
• RQ3 統合マイクロレゾネータ内でのソリトンマイクロコムが基準レーザーにロック可能であり、最小限の追加ノイズでcoherentな周波数分割が可能か？
• RQ4 統合光デバイスシステム内で、高出力かつ低位相ノイズのmmWave信号を同時に生成できるか？
• RQ5 環境パッケージングとコモンモードノイズキャンセレーションを用いることで、現在の技術的ノイズ限界を超えて、統合オシレーターの位相ノイズをどの程度改善できるか？

主な発見

• 統合光学周波数分割システムは、10 GHzキャリアで10 kHz周波数オフセットにおいて-109 dBc/Hzの位相ノイズを達成し、従来の統合光デバイスマイクロ波オシレーターを20 dB以上上回る性能を示した。
• 100 GHzのmmWave信号は10 kHz周波数オフセットで-112 dBc/Hzの位相ノイズを示し、出力電力は9 dBmであり、この周波数帯で報告された中で最も高い出力電力の一つである。
• 光学ドメインおよび電気的ドメインにおける位相ノイズ測定で、100 Hzから100 kHzの周波数オフセット範囲で良好な一致が得られ、ソリトンコンブ繰り返し周波数からmmWave信号への安定性のcoherentな転送が裏付けられた。
• 光電流範囲1〜18.3 mAの間で位相ノイズがほとんど変化せず、高出力と低位相ノイズが、光検出器のバイアス電流に依存せずに同時に達成されていることが示された。
• システムの位相ノイズは現在、基準レーザーの技術的ノイズによって制限されており、キャビティのサーモリフレクティブノイズによって制限されていないため、環境パッケージングとノイズキャンセレーションによりさらなる改善が可能である。
• 実証された分割比は、レーザーの周波数調整範囲に制限されており、マイクロコム帯域幅ではなく、分散設計されたマイクロレゾネータとオクターブカバーのマイクロコムを用いることで、より高い分割比が実現可能である。

Figure 2: Experimental setup. A pair of reference lasers are created by stabilizing frequencies of lasers A and B to a SiN coil waveguide reference cavity, which is temperature controlled by thermoelectric cooler (TEC). Soliton microcomb is generated in an integrated SiN microresonator. The pump las