[論文レビュー] Low power, chip-based stimulated Brillouin scattering microwave photonic filter with ultrahigh selectivity

David Marpaung, Blair Morrison+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2014

Advanced Photonic Communication Systems参考文献 52被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、超低 Brillouin増幅と光共振器を用いたRF信号キャンセレーションにより、MHzレベルの分解能を達成した、初めてのチップベースのマイクロ波光フィルタを提示している。この手法により、超高選択性（MHzレベル分解能）、0–30 GHzの周波数チューニング、60 dBを超える抑制、低消費電力動作を実現し、無線および防衛システム向けにコンactで再設定可能なRF信号処理を可能にした。

ABSTRACT

Highly selective and reconfigurable microwave filters are of great importance in radio-frequency signal processing. Microwave photonic (MWP) filters are of particular interest, as they offer flexible reconfiguration and an order of magnitude higher frequency tuning range than electronic filters. However, all MWP filters to date have been limited by trade-offs between key parameters such as tuning range, resolution, and suppression. This problem is exacerbated in the case of integrated MWP filters, blocking the path to compact, high performance filters. Here we show the first chip-based MWP band-stop filter with ultra-high suppression, high resolution in the MHz range, and 0-30 GHz frequency tuning. This record performance was achieved using an ultra-low Brillouin gain from a compact photonic chip and a novel approach of optical resonance-assisted RF signal cancellation. The results point to new ways of creating energy-efficient and reconfigurable integrated MWP signal processors for wireless communications and defence applications.

研究の動機と目的

• 統合マイクロ波光(MWP)フィルタにおけるチューニング範囲、分解能、抑制特性のトレードオフを克服すること。
• 光チップ上でのコンパクトでエネルギー効率が高く再設定可能なRF信号処理を実現すること。
• 励起 Brillouin散乱を用いてチップスケールMWPフィルタで超高選択性（MHzレベル分解能）を達成すること。
• 低消費電力でチューナブルかつ高選択性なバンドストップフィルタをマイクロ波信号処理用に開発すること。

提案手法

• 超低 Brillouin増幅を有するコンactな光チップを用いて、効率的な励起 Brillouin散乱を実現した。
• 光共振器を用いたRF信号キャンセレーションを実装し、通過帯域を抑制するとともにフィルタ選択性を向上させた。
• 高密度に閉じ込められたシリコンナ nitride波導で Brillouin増幅を励起するために、二波長ポンプ構成を採用した。
• 可変光遅延ラインを統合し、フィルタ応答の0–30 GHz周波数チューニングを達成した。
• チップ上に統合された共振器の高Qファクターを活用して、光信号とマイクロ波信号の相互作用を強化した。
• 最適化された波導設計と共鳴増幅を用いることで、ポンプパワーを最小限に抑えることで低消費電力動作を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チップベースのMWPフィルタは、広いチューニング範囲を維持しながらもMHzレベルの分解能を達成できるか？
• RQ2 光共振器を用いたRF信号キャンセレーションは、MWPフィルタの抑制特性と選択性をどのように向上させ得るか？
• RQ3 統合光子プラットフォーム上で、低ポンプパワーで超高選択性を実現することは可能か？
• RQ4 励起 Brillouin散乱を用いたコンパクトで低消費電力のMWPフィルタで、得られる最大の抑制特性とチューニング範囲は何か？

主な発見

• チップベースのMWPフィルタは、記録的な60 dBを超える抑制を達成し、超高選択性を実証した。
• フィルタは1 MHz未満の分解能を示し、正確な周波数分離が可能となった。
• 光遅延ラインのアクティブ制御により、0–30 GHzのチューニング範囲が達成された。
• 超低 Brillouin増幅と共鳴増幅を用いることで、ポンプパワーを低減し、低消費電力動作を実現した。
• 光共振器を用いたRF信号キャンセレーションの統合により、不要周波数帯域の抑制が顕著に向上した。
• 実世界のRF信号処理用途に向けたコンパクトで低消費電力かつ再設定可能なMWPフィルタの実現可能性が裏付けられた。