[論文レビュー] Optical Kerr soliton crystal microcomb source for RF photonic fractional differentiation

Mengxi Tan, Xingyuan Xu+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 45被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、49 GHzの自由スペクトル範囲を有する統合型ケラーマイクロコンブ光源を用いた再構成可能光エレクトロニクスRF分数微分器を提案する。15.49 GHz帯域幅において0.15から0.90までの任意の分数微分次数を実現可能であり、理論的タップ重みに従ってコンブラインの振幅および位相を整形することで、高精度な周波数応答および時間応答を達成した。実験的にガウスパルス入力により検証された。

ABSTRACT

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.

研究の動機と目的

• 高帯域幅信号処理向けにコンactで再構成可能な光エレクトロニクスRF分数微分器を開発すること。
• ボリューム型またはファイバーベースのシステムの制限を克服し、マイクロコンブ光源を用いてチップ上に微分器を統合すること。
• コンブラインのプログラマブルな振幅および位相整形により、任意の分数微分次数を実現すること。
• 周波数ドメインおよび時間ドメインの両方で高精度な応答を達成する広帯域RF動作を実現すること。
• ガウスパルス入力による実験的検証と理論的予測との比較を通じて、システムを検証すること。

提案手法

• 49 GHzの自由スペクトル範囲を有する統合ケラーマイクロコンブ光源が、分数微分器のための広帯域でコherentlyな多波長コンブを生成する。
• 任意の微分次数に対応する分数微分カーネルから計算されたタップ重みに従い、コンブラインの振幅および位相が個別にプログラムされる。
• 周波数応答を分数微分演算子を模倣するように整形するための伝達関数アプローチが用いられる。
• 時間ドメインでの微分器の挙動を検証するために、ガウスパルス入力を用いて時間応答が測定される。
• マイクロレゾネータ内でのソリトン結晶状態を活用することで、コンブの安定化が実現され、多数のラインと平坦なスペクトル応答が可能になる。
• 理論的タップ重みは、分数微分カーネルのフーリエ変換から導出され、微分次数の精密な制御が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チップ統合型マイクロコンブ光源は、広帯域で再構成可能なRF光エレクトロニクス分数微分を可能にするか？
• RQ2 プログラマブルなコンブライン整形により、0.15から0.90までの分数微分次数がどの程度正確に実現可能か？
• RQ3 測定された周波数ドメインの振幅および位相応答は、理論的予測とどの程度一致するか？
• RQ4 ガウスパルス入力に対して時間応答の忠実度はどの程度か？
• RQ5 従来のRF光エレクトロニクスシステムと比較して、サイズとコストを低減しつつ高い性能を達成できるか？

主な発見

• 実験的検証により、0.15から0.90までの任意の分数微分次数が正常に実現された。
• RF動作帯域幅は15.49 GHzに達し、広帯域スペクトル処理能力が実証された。
• 実験的周波数ドメインの振幅および位相応答は理論的予測と強く一致しており、正確なカーネルエミュレーションが確認された。
• ガウスパルス入力に対する時間応答は、期待される分数微分の挙動と一致し、時間ドメインでの性能が検証された。
• ケラースオリトン結晶マイクロコンブの使用により、多数のラインと安定した広帯域コンブ生成が可能になり、多波長動作に不可欠な要件が満たされた。
• 結果として、統合可能性とコスト削減の可能性を有する、コンactで再構成可能かつ高性能な光エレクトロニクスRF信号処理プラットフォームが示された。