[논문 리뷰] Comb-based radio-frequency photonic filters: rounts to nanosecond tuning speed and extremely high stopband attenuation

V. R. Supradeepa, Christopher M. Long외 5명|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 04.

Advanced Photonic Communication Systems인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 광학적 지연 제어와 다중 단계의 4파면 혼합을 활용하여 나노초 수준의 조정 속도(~40 ns)와 극도로 높은 차단대 감쇄(>70 dB)를 달성하는 복합 기반의 RF 광학 필터를 제안한다. 이 방법은 가우시안 선형형을 갖는 재구성 가능하고 고도로 선택적인 RF 필터를 가능하게 하며, 부가로 발생하는 성분과 대역 외 신호를 극도로 억제한다.

ABSTRACT

Photonic technologies have received considerable attention for enhancement of radio-frequency (RF) electrical systems, including high-frequency analog signal transmission, control of phased arrays, analog-to-digital conversion, and signal processing. Although the potential of radio-frequency photonics for implementation of tunable electrical filters over broad RF bandwidths has been much discussed, realization of programmable filters with highly selective filter lineshapes and rapid reconfigurability has faced significant challenges. A new approach for RF photonic filters based on frequency combs offers a potential route to simultaneous high stopband attenuation, fast tunability, and bandwidth reconfiguration. In one configuration tuning of the RF passband frequency is demonstrated with unprecedented (~40 ns) speed by controlling the optical delay between combs. In a second, fixed filter configuration, cascaded four-wave mixing simultaneously broadens and smoothes comb spectra, resulting in Gaussian RF filter lineshapes exhibiting extremely high (>60 dB) main lobe to sidelobe suppression ratio and (>70 dB) stopband attenuation.

연구 동기 및 목표

• 빠른 재구성 가능성과 높은 선택성을 갖춘 가변형 RF 광학 필터를 구현하는 데 도전하는 것.
• 기존의 RF 광학 필터에서의 한계, 즉 느린 조정 속도와 부족한 차단대 감쇄를 극복하는 것.
• 넓은 RF 대역폭, 높은 선형성, 그리고 빠른 재구성 능력을 갖춘 프로그래밍 가능한 필터를 실현하여 고급 RF 시스템을 지원하는 것.
• 우수한 스펙트럼 성능을 보이는 가변형 및 고정형 필터 구성 모두를 구현하는 것.

제안 방법

• 복합체 간의 광학적 지연을 정밀하게 제어하여 가변형 RF 필터 응답을 생성하는 데 광주기 복합체를 기반으로 한다.
• 다중 단계의 4파면 혼합을 활용하여 복합 스펙트럼을 넓히고 매끄럽게 하여 가우시안 형상의 RF 필터 응답을 도출한다.
• 매끄러운 복합체의 스펙트럼 특성을 활용하여 주로브 대 부가로 발생하는 성분의 감쇄 비율을 높이기(>60 dB)는 데 기여한다.
• 복합체 간의 광학적 지연을 조절하여 RF 통과대역 주파수를 제어함으로써 약 ~40 ns의 조정 속도를 실현한다.
• 최적화된 4파면 혼합을 활용한 고정형 필터 구성으로 70 dB 이상의 높은 차단대 감쇄를 달성한다.
• 통합 또는 섬유 기반 플랫폼에서의 비선형 광학 과정에 의존하여 필터의 기능을 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복합 기반 광학 필터는 실시간 RF 시스템에 적합한 마이크로초 이하의 조정 속도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 4파면 혼합은 얼마나 효과적으로 RF 광학 필터의 스펙트럼 매끄러움을 향상시키고 부가로 발생하는 성분을 억제할 수 있는가?
• RQ3 고정형 복합 기반 RF 필터 구성에서 어떤 정도의 차단대 감쇄가 달성될 수 있는가?
• RQ4 광학적 지연 제어가 어떻게 RF 통과대역 주파수의 빠른 재구성 가능성을 가능하게 하는가?
• RQ5 복합체 형상 제어와 지연 조절의 조합이 동시에 높은 선택성과 넓은 대역폭을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 가변형 필터 구성은 약 40 ns의 조정 속도를 달성하여 이전의 RF 광학 필터에 비해 상당한 향상을 보였다.
• 고정형 구성에서 주로브 대 부가로 발생하는 성분 감쇄 비율이 60 dB를 초과하여 높은 스펙트럼 선택성을 나타냈다.
• 차단대 감쇄가 70 dB를 초과하여 뛰어난 대역 외 신호 제거 능력을 입증하였다.
• 다중 단계의 4파면 혼합은 복합체 스펙트럼을 효과적으로 넓히고 매끄럽게 하여 가우시안 형상의 RF 필터 선형형을 가능하게 하였다.
• 광 영역에서의 조작을 통해 대역폭, 중심 주파수, 스펙트럼 순도를 동시에 제어할 수 있었다.
• 결과적으로 하나의 광학 필터 아키텍처에서 높은 재구성 가능성과 극도로 뛰어난 스펙트럼 성능을 동시에 달성할 수 있음을 확인하였다.