[논문 리뷰] Coherent resonant Ka-band photonic microwave receiver

Vladimir S. Ilchenko, Jerry Byrd외 4명|ArXiv.org|2008. 06. 19.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 15인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 리튬니오브산나트륨 또는 리튬 tantalate의 웨스턴 갤러리 모드(WGM) 광학 공진기와 마이크로파 스트립 라인 공진기로 결합된 공진적이고 간섭계적인 Ka 밴드 광학 마이크로파 수신기를 제안하고 실험적으로 입증한다. 제곱 비선형 매질에서의 삼파동 혼합을 통해 강한 마이크로파 로컬 옐로우(LO)를 이용한 위상 민감도 검출을 실현함으로써, 이 수신기는 비간섭적 제곱 수신기와 비교해 훨씬 높은 감도와 역동 범위를 달성한다—5 MHz 대역폭에서 100 dB 이상을 초과하며, 선형성은 유지하면서 제2차 교향 제품에 의한 왜곡을 억제한다.

ABSTRACT

We propose theoretically and demonstrate experimentally a coherent microwave photonic receiver operating at 35 GHz carrier frequency. The device is based on a lithium niobate or lithium tantalate optical whispering gallery mode resonator coupled to a microwave strip line resonator. Microwave local oscillator is fed into the microwave resonator along with the microwave signal. We show that the sensitivity of this receiver significantly exceeds the sensitivity of the incoherent quadratic receiver based on the same technology. The coherent receiver can possess a dynamic range in excess of 100 dB in 5 MHz band if a low noise laser is utilized.

연구 동기 및 목표

• Ka 밴드 응용을 위한 고감도, 고역동 범위 마이크로파 광학 수신기를 개발하기 위해.
• 비간섭적 제곱 수신기의 한계—제한된 역동 범위와 제2차 교향 제품에 의한 비선형 왜곡—을 극복하기 위해.
• WGM 공진기를 사용한 간섭계적 검출의 가능성을 실험적으로 입증하기 위해.
• 신호의 진폭, 주파수, 위상을 측정할 수 있는 위상 민감도 검출을 실현하기 위해.
• 공진적 증폭과 광학 공진기에 대한 레이저 락킹을 통해 노이즈와 왜곡을 억제하기 위해.

제안 방법

• 35 GHz의 자유 스펙트럼 범위(FSR)를 가진 리튬니오브산나트륨 또는 리튬탄탈레이트 WGM 공진기를 사용하여 광신호와 마이크로파 신호를 동시에 공진적으로 구속한다.
• 1550 nm 레이저를 광학 공진기에 락킹하여 풍선을 안정화하고 위상 및 강도 노이즈를 감소시킨다.
• 마이크로파 신호와 로컬 옐로우(LO)가 WGM 공진기와 결합된 공면 스트립 라인 공진기에 주입되어 제곱 비선형 매질에서 삼파동 혼합을 유도한다.
• 비선형 혼합 과정에서 생성된 광측변조 성분은 저주파 광검출기로 검출되어 LO와의 간섭을 통해 베이스밴드 신호로 회복된다.
• 레이저 주파수는 레일리 산란 피드백을 사용하여 안정화되어 레이저 노이즈를 억제하고 공진 락킹을 유지한다.
• 공진적 증폭을 활용하여 고감도와 높은 역동 범위를 달성하며, 물질 손상과 모드 간 상호작용으로 인해 광출력이 제한된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WGM 공진기를 기반으로 한 간섭계적 광학 마이크로파 수신기는 비간섭적 제곱 수신기와 비교해 뛰어난 감도와 역동 범위를 달성할 수 있는가?
• RQ2 강력한 로컬 옐로우가 존재할 경우 선형 검출이 어떻게 가능해지고 제2차 비선형성에 의한 왜곡은 어떻게 억제되는가?
• RQ3 WGM 공진기에 대한 레이저 락킹이 시스템 노이즈와 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 저노이즈 광학 풍선 조건에서 5 MHz 대역폭에서 역동 범위가 100 dB를 초과할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 물질 한계(예: LiNbO3에서의 광학 손상)가 달성 가능한 광출력과 수신기 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 저노이즈 레이저를 사용할 경우, 간섭계적 수신기는 5 MHz 대역폭에서 100 dB를 초과하는 역동 범위를 달성하며, 비간섭적 제곱 수신기보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보인다.
• 간섭계적 수신기의 감도는 비간섭적 제곱 수신기보다 상당히 높으며, 1 mW 광학 풍선 출력 조건에서 이론적으로 최대 40 dB 향상된다.
• 유사한 실험 조건에서 간섭계적 수신기의 역동 범위는 제곱 수신기보다 최소 10 dB 높으며, 이론적으로는 최대 20 dB까지 높을 수 있다.
• 강력한 LO 존재로 인해 선형 응답을 보이며, 제3차 왜곡을 억제하고 밀접하게 배치된 신호를 깔끔하게 검출할 수 있다.
• 제2차 왜곡 성분은 넓게 분리된 주파수에서 발생한다(예: 35 GHz LO에서 35.001 GHz 및 35.0011 GHz 신호), 간섭 없이 쉽게 필터링 가능하다.
• 광학 손상과 모드 간 상호작용으로 인해 리튬니오브산나트륨에서는 최대 사용 가능한 광출력이 약 50 μW로 제한되지만, 리튬탄탈레이트는 더 낮은 손상 임계값을 보이며 높은 출력 작동이 가능하다.