[論文レビュー] Testing optomechanical microwave oscillators for SATCOM application

Laura Mercadé, Eloy Rico+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Mechanical and Optical Resonators参考文献 25被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、人工衛星通信（SATCOM）用に、シリコンナノビームキャビティを用いたオプトメカニカルマイクロ波オシレーター（OMO）の実世界での初回のテストを実施した。青線にずらしたレーザーでキャビティを駆動し、フォノンレーザーを実現することで、OMOは3.874 GHzの機械的共振周波数の整数倍の高安定性マイクロ波トーンを生成し、SATCOMテストベッドで-32.8 dBmの1次高調波変換利得を達成した。これは、サイズ・重量・消費電力（SWaP）が極めて低い、コンactな全光型局所発振器としての可能性を裏付けるものである。

ABSTRACT

The realization of photonic microwave oscillators using optomechanical cavities has recently become a reality. By pumping the cavity with a blue-detuned laser, the so-called phonon lasing regime - in which a mechanical resonance is amplified beyond losses - can be reached and the input signal gets modulated by highly-coherent tones at integer multiples of the mechanical resonance. extcolor{Red}{Implementing optomechanical cavities on released films with high index of refraction can lead to optical modes at telecom wavelengths and mechanical resonances in the GHz scale, resulting in highly-stable signals in the microwave domain upon photodetection}. Owing to the extreme compactness of such cavities, application in satellite communications (SATCOM) seems highly appropriate, but no experiments have been reported so far. In this paper, an optomechanical microwave oscillator (OMO) built on a micron-scale silicon optomechanical crystal cavity is characterized and tested in a real SATCOM testbed. Using a blue-detuned laser, the OMO is driven into a phonon lasing state where multiple harmonics are generated, reaching tones up to 20 GHz. Under this regime, its practical applicability, remarkably addressing its performance as a photonic local oscillator, has been validated. The results, in addition with the advantages of extreme compactness and silicon-technology compatibility, make OMOs very promising candidates to build extcolor{Red}{ultra-low} weight photonics-based microwave oscillators for SATCOM applications.

研究の動機と目的

• 実SATCOMテストベッドにおけるオプトメカニカルマイクロ波オシレーター（OMO）を光子局所発振器（LO）としての実用的性能を検証すること。
• 従来の電子的LOおよび電気光変調器（EOM）に代わる完全統合型全光OMOソリューションの実現可能性を示すこと。
• システムレベルのSATCOM環境下で、変換利得、位相ノイズ、FMノイズといった主要性能指標を評価すること。
• 将来の宇宙用光子ペイロードにおけるサイズ・重量・消費電力（SWaP）の低減可能性をOMOが果たす可能性を評価すること。

提案手法

• 基本的な機械的共振周波数が3.874 GHzで、真空中のオプトメカニカル結合率が540 kHzであるマイクロスケールのシリコンオプトメカニカル結晶キャビティを基盤とするOMO。
• キャビティを青線にずらした連続波（CW）レーザーで駆動し、フォノンレーザーを誘発することで、機械的周波数の整数倍の周波数に相当する光学サイドバンドを生成する。
• 出力光信号をフォトディテクタで検出し、RFスペクトラムアナライザー（RSA）を用いてマイクロ波トーンを抽出する。
• OMOを局所発振器として用いた完全なダウンコンバージョンチェーンを実装し、RFおよびIFポートで信号混合を行い、変換利得を測定する。
• 長期間の安定性およびノイズ測定を含む、実環境下でのテストを実施した。
• 短時間および長時間の窓で位相ノイズおよびFMノイズを測定し、信号整合性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 オプトメカニカルマイクロ波オシレーター（OMO）は、実SATCOMシステムにおいて効果的に光子局所発振器（LO）として機能できるか？
• RQ2 実世界のテストベッドにおいて、OMOの変換利得およびノイズ性能は、従来のEOMベースの光子局所発振器（PhLO）と比較してどの程度か？
• RQ3 OMOが内在的に持つ非線形性が、高調波生成およびLO出力信号への周波数成分の分配に与える影響は何か？
• RQ4 OMOのFMノイズおよび位相ノイズは、OPTIMA PhLOのような最先端のシステムと比較してどの程度か？
• RQ5 OMOは、将来の人工衛星ペイロードにおいて、SWaP（サイズ・重量・消費電力）をどの程度低減できるか？

主な発見

• OMOは、設定3において1次高調波変換利得-32.8 dBmを達成し、従来のOPTIMA PhLOシステムと同等の性能を示した。
• 高次ダウンコンバージョン製品（例：RF-4LOおよびRF-5LO）は、OPTIMAシステムの-114 dBmと比較してより高い利得（-108 dBm）を示し、より強い内在的非線形性を示した。
• 10分間の窓でRF出力信号のFMノイズは111.7 Hz RMSであったが、これは混合されていない信号と比較して約1桁高い。
• SSB位相ノイズは、OPTIMAテストベッドと比較して、特に低周波数オフセット帯で高くなった。これは、最適化されていない光路および環境への感受性が原因である。
• OMOは内在的な周波数混合を示し、高調波生成により20 GHzまでの高安定マイクロ波トーンを生成した。
• 1次LOサイドバンドのパワーが低いものの、OMOのコンactで被動的かつシリコン準拠の設計は、宇宙用途における超低SWaP光子局所発振器の実現に極めて有望な道筋を示している。