[論文レビュー] Photonic radio frequency and microwave intensity differentiator based on an optical frequency comb source in an integrated micro-ring resonator

Xingyuan Xu, Jiayang Wu+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 46被引用数 33

ひとこと要約

本論文では、コンpactで統合型のマイクロリングレゾネータを用いて自己周波数変換を生成する再構成可能な光ファイバー無線（RF）/マイクロ波強度微分器を提案する。周波数コンブの個々のラインを横方向フィルタのタップ重みとして整形することで、リアルタイム動作が可能となり、最大100 GHz帯域幅で1次、2次、3次強度微分が実現された。理論と良好に一致する実験的妥当性が確認された。

ABSTRACT

We propose and experimentally demonstrate a microwave photonic intensity differentiator based on a Kerr optical comb generated by a compact integrated micro-ring resonator (MRR). The on-chip Kerr optical comb, containing a large number of comb lines, serves as a high-performance multi-wavelength source for implementing a transversal filter, which will greatly reduce the cost, size, and complexity of the system. Moreover, owing to the compactness of the integrated MRR, frequency spacings of up to 200-GHz can be achieved, enabling a potential operation bandwidth of over 100 GHz. By programming and shaping individual comb lines according to calculated tap weights, a reconfigurable intensity differentiator with variable differentiation orders can be realized. The operation principle is theoretically analyzed, and experimental demonstrations of first-, second-, and third-order differentiation functions based on this principle are presented. The radio frequency (RF) amplitude and phase responses of multi-order intensity differentiations are characterized, and system demonstrations of real-time differentiations for a Gaussian input signal are also performed. The experimental results show good agreement with theory, confirming the effectiveness of our approach.

研究の動機と目的

• 高帯域幅信号処理向けにコンパクトで低複雑性の光ファイバー無線（RF）/マイクロ波強度微分器を開発すること。
• ボリューム光学系の制限を克服するため、周波数コンブ生成にオンチップ統合型マイクロリングレゾネータ（MRR）を活用すること。
• 個々のコンブラインのプログラマブルな整形により、再構成可能な微分次数（1次、2次、3次）を実現すること。
• MRRから得られる高周波数間隔（最大200 GHz）のコンブラインを用いて、広帯域動作（100 GHz以上）を達成すること。
• 理論的予測と一致する位相および振幅応答を示す、ガウス入力信号のリアルタイム微分を実証すること。

提案手法

• 統合型マイクロリングレゾネータが最大200-GHzのライン間隔を持つKerr光周波数コンブを生成し、マルチウェーブ長光源として機能する。
• コンブラインを個別に振幅および位相制御することで、横方向フィルタのタップ重みを模倣する。
• 整形されたコンブを介して光信号を処理することで、強度ドメインにおける光ファイバー強度微分器を実装する。
• 理論的モデリングを用いて、1次、2次、3次微分関数に必要なタップ重みを計算する。
• 実時間のガウス入力信号を用いた実験的妥当性評価を行い、RF振幅および位相応答を理論と比較する。
• 従来のボリューム光ファイバー系と比較して、小型で低コストかつ低複雑性のオンチップ設計を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オンチップマイクロリングレゾネータは、光ファイバー信号処理応用に適した高品質な光周波数コンブを生成できるか？
• RQ2 個々のコンブラインをどのように整形すれば、マイクロ波強度微分の再構成可能な横方向フィルタを模倣できるか？
• RQ3 コンパクトで統合型MRRベースのシステムが、強度微分において達成可能な最大動作帯域幅は何か？
• RQ4 このシステムは、リアルタイムで正確な1次、2次、3次強度微分を達成できるか？
• RQ5 実験的RF振幅および位相応答は、多階微分の理論的予測とどの程度一致するか？

主な発見

• 実験結果が理論的予測と良好に一致し、1次、2次、3次強度微分が正常に実現された。
• 最大200 GHzの高周波数間隔を持つ光コンブラインの生成により、100 GHzを超える帯域幅が達成された。
• オンチップKerrコンブ光源のおかげで、従来のボリューム光学系と比較して、コンパクトで低コストかつ低複雑性の実装が可能になった。
• ガウス入力信号のリアルタイム微分が実験的に妥当性確認され、システムの動的性能が裏付けられた。
• すべての微分次数において、RF出力の振幅および位相応答が理論モデルと優れた一致を示した。
• 個々のコンブラインのプログラマブルな整形により、変動可能な微分次数を実現したことで、システムの再構成可能性が実証された。