[論文レビュー] Photonic microwave oscillators based on integrated soliton microcombs

Junqiu Liu, Erwan Lucas+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、XバンドおよびKバンドのマイクロ波周波数で動作する光集積型ソリトンマイクロコムを実証し、10 kHzオフセットで105 dBc/Hz未満の低位相ノイズを達成し、電子シンセサイザーと同等の性能でマイクロ波信号を生成することに成功した。デバイスは繰り返し周波数の安定化およびスペクトルの浄化にインジェクションロックを用い、チップ上にコンパクトで低消費電力かつ低ノイズなマイクロ波合成を実現した。

ABSTRACT

Microwave photonic technologies, which upshift the carrier into the optical domain to facilitate the generation and processing of ultrawide-band electronic signals at vastly reduced fractional bandwidths, have the potential to achieve superior performance compared to conventional electronics for targeted functions. For microwave photonic applications such as filters, coherent radars, subnoise detection, optical communications and low-noise microwave generation, frequency combs are key building blocks. By virtue of soliton microcombs, frequency combs can now be built using CMOS compatible photonic integrated circuits, operated with low power and noise, and have already been employed in system-level demonstrations. Yet, currently developed photonic integrated microcombs all operate with repetition rates significantly beyond those that conventional electronics can detect and process, compounding their use in microwave photonics. Here we demonstrate integrated soliton microcombs operating in two widely employed microwave bands, X- and K-band. These devices can produce more than 300 comb lines within the 3-dB-bandwidth, and generate microwave signals featuring phase noise levels below 105 dBc/Hz (140 dBc/Hz) at 10 kHz (1 MHz) offset frequency, comparable to modern electronic microwave synthesizers. In addition, the soliton pulse stream can be injection-locked to a microwave signal, enabling actuator-free repetition rate stabilization, tuning and microwave spectral purification, at power levels compatible with silicon-based lasers (<150 mW). Our results establish photonic integrated soliton microcombs as viable integrated low-noise microwave synthesizers. Further, the low repetition rates are critical for future dense WDM channel generation schemes, and can significantly reduce the system complexity of photonic integrated frequency synthesizers and atomic clocks.

研究の動機と目的

• 従来の電子検出および処理と互換性のあるマイクロ波周波数で動作する光集積型ソリトンマイクロコムの開発を目的とする。
• 既存のマイクロコムが電子システムが処理可能な範囲を超えて高い繰り返し周波数で動作するという制限を克服することを目的とする。
• 統合光子プラットフォームを用いて、最先端の電子シンセサイザーと同等の低位相ノイズマイクロ波信号を達成することを目的とする。
• 外部マイクロ波信号へのインジェクションロックにより、外部アクチュエータを用いずにマイクロコムの繰り返し周波数の安定化および調整を可能とすることを目的とする。
• 光集積周波数合成器および原子時計において、システムの複雑さを低減するために低繰り返し周波数動作を可能とすることを目的とする。

提案手法

• 低消費電力および低ノイズを実現するため、CMOS準拠の光集積回路を用いてソリトンマイクロコムをフォトリソグラフィーで作製する。
• マイクロコムの自由スペクトル範囲（FSR）をXバンド（8–12 GHz）およびKバンド（18–27 GHz）のマイクロ波周波数範囲に設計する。
• マイクロレゾネータ内で生成されたソリトンパルス列を用い、3-dBバンド幅内に300本以上のラインを持つ広帯域周波数コムを生成する。
• 外部マイクロ波信号へのインジェクションロックを実装し、繰り返し周波数の安定化およびスペクトルの浄化を実現する。
• シリコンベースのレーザーと互換性がある入力電力レベル150 mW未満でシステムを動作させ、低消費電力動作を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソリトンマイクロコムは、従来の電子システムと互換性のあるマイクロ波周波数で設計可能だろうか？
• RQ2 XバンドおよびKバンドにおける統合ソリトンマイクロコムは、どの程度の位相ノイズ性能を達成できるだろうか？
• RQ3 外部アクチュエータを用いずに、インジェクションロックを用いて光集積型ソリトンマイクロコムの繰り返し周波数を安定化できるだろうか？
• RQ4 マイクロコムの繰り返し周波数は、光集積周波数合成器におけるシステムの複雑さにどのように影響するだろうか？
• RQ5 CMOS準拠の光集積回路を用いて、低消費電力かつ高性能なマイクロ波信号生成が可能だろうか？

主な発見

• 統合ソリトンマイクロコムは、3-dBバンド幅内に300本以上のコムラインを生成し、ワイドバンドマイクロ波信号の生成を可能にした。
• デバイスは10 kHzオフセット周波数で105 dBc/Hz未満、1 MHzオフセット周波数で140 dBc/Hz未満の位相ノイズを達成し、最新の電子マイクロ波シンセサイザーと同等の性能を示した。
• インジェクションロックにより、シリコンベースのレーザーと互換性のある電力レベル（150 mW未満）で、アクチュエータを用いずに繰り返し周波数の安定化、調整、スペクトルの浄化が可能となった。
• 低繰り返し周波数（XバンドおよびKバンド内）は、光集積周波数合成器および原子時計におけるシステムの複雑さを顕著に低減した。
• 本結果により、実用的応用に向けた、低ノイズでコンパクトかつ低消費電力なマイクロ波シンセサイザーとしての光集積型ソリトンマイクロコムの実現可能性が確立された。