[논문 리뷰] An optical micro-comb with a 50GHz free spectral range for photonic microwave true time delays

Xingyuan Xu, Jiayang Wu외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 30.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 30인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 50 GHz 자유스펙트럴역할(Free Spectral Range, FSR)을 갖춘 통합 마이크로링 공진기(Micro-Ring Resonator, MRR) 킬러 광학 콤 소스를 제시하여, 작고 저비용인 광학 마이크로파 진실시간 지연선(TTDL)을 가능하게 한다. C밴드 전역에서 81채널의 콤은 위상 배열 안테나에서 높은 각도 해상도와 넓은 빔 조작 범위를 제공하여 성능을 크게 향상시키며, 시스템 크기와 복잡성을 줄인다.

ABSTRACT

We demonstrate significantly improved performance of a microwave true time delay line (TTDL) based on an integrated micro-ring resonator (MRR) Kerr optical comb source with a channel spacing of 49GHz, corresponding to 81 channels over the C-band. The broadband microcomb, with a record low free spectral range of 49GHz, results in a large number of comb lines for the TTDL, greatly reducing the size, cost, and complexity of the system. The large channel count results in a high angular resolution and wide beam steering tunable range of the phased array antenna (PAA). The enhancement of PAA performance matches well with theory, corroborating the feasibility of our approach as a competitive solution towards implementing compact low-cost TTDL in radar and communications systems.

연구 동기 및 목표

• 레이더 및 통신 시스템에 사용할 수 있는 작고 저비용 광학 마이크로파 진실시간 지연선(TTDL)을 개발하는 것.
• 기존 TTDL의 한계, 즉 크기의 크기, 높은 비용, 복잡한 아키텍처를 해결하는 것.
• 통합 마이크로콤 기술을 활용하여 단일 칩에서 높은 채널 수와 정밀한 주파수 해상도를 달성하는 것.
• 저FSR 마이크로콤을 사용하여 위상 배열 안테나(PAA)에서 고성능 빔 조작을 실현할 수 있음을 실험적으로 입증하는 것.

제안 방법

• 49 GHz 채널 간격을 갖는 킬러 광학 주파수 콤을 생성하기 위해 실리카 질화물 마이크로링 공진기(MRR)를 사용하였다.
• 자유스펙트럴역할(Free Spectral Range, FSR)이 49 GHz로 측정되어 C밴드(1530–1565 nm)에서 81개의 콤 라인을 확보하였다.
• 광학 신호 처리를 위해 광대역 마이크로콤 소스를 활용하여 다수의 광학 캐리어를 자극하였다.
• 시간 지연이 콤 라인 간의 위상 이동에 의해 유도되는 광학 TTDL 아키텍처를 구현하였다.
• 콤의 높은 채널 수를 활용하여 위상 배열 안테나에서 정밀한 각도 해상도와 넓은 테이블러블 빔 조작 범위를 실현하였다.
• 이론적 모델링과 시뮬레이션을 통해 시스템 성능을 검증하였으며, 관측된 실험 트렌드와 일치하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 50 GHz FSR를 갖는 마이크로콤이 마이크로파 빔 포밍을 위한 작고 저비용 광학 TTDL을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 마이크로콤에서 높은 채널 수(81선)가 위상 배열 안테나에서 각도 해상도와 빔 조작 가능 범위를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 기존 TTDL에 비해 통합 MRR 기반 마이크로콤이 시스템 크기, 비용, 복잡성 측면에서 얼마나 감소시키는가?
• RQ4 저FSR 마이크로콤 소스를 사용할 경우 빔 조작 성능에서 이론적 및 실용적 성능 향상은 어느 정도인가?
• RQ5 마이크로콤 기반 TTDL의 성능이 위상 배열 시스템에 대한 이론적 예측과 일치하는가?

주요 결과

• 마이크로콤은 기록적인 저자유스펙트럴역할 49 GHz를 달성하여 C밴드 전역에서 81개의 콩 라인을 제공하였다.
• 높은 채널 수는 위상 배열 안테나에서 각도 해상도와 빔 조작 가능 범위를 크게 향상시켰다.
• 시스템은 하드웨어 복잡성 감소를 고려한 작고 저비용 광학 마이크로파 TTDL 솔루션을 성공적으로 구현하였다.
• 이론적 예측된 빔 조작 성능과 실험 결과가 일치하여 설계 방법의 타당성을 입증하였다.
• 통합 MRR 기반 마이크로콤은 고성능 TTDL의 확장 가능한 칩 수준의 구현을 가능하게 하였다.
• 50 GHz FSR 마이크로콤은 최소한의 위상 리플 및 높은 안정성을 갖춘 밴드폭이 넓은 마이크로파 신호 처리를 지원하였다.