[논문 리뷰] Integrated optical frequency division for stable microwave and mmWave generation

Shuman Sun, Beichen Wang외 15명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 23.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 SiN 웨이브가이드-결합형 마이크로레진터에서의 솔리톤 마이크로콤부를 활용하여, 광주파수 분할을 이용해 초저위상잡음 마이크로파 및 mmWave 신호를 생성하는 칩스케일, CMOS 호환 통합 광전자 시스템을 구현한다. 큰 모드 체적의 평판 웨이브가이드 기반 기준 공진기와 두 개의 반도체 레이저를 안정화시켜, 기존의 통합 광전자 오실레이터보다 20 dB 이상 향상된 기록적인 저위상잡음 성능을 달성하였으며, 100 GHz에서 9 dBm의 고출력 mmWave 출력도 가능하게 하였다.

ABSTRACT

The generation of ultra-low noise microwave and mmWave in miniaturized, chip-based platforms can transform communication, radar, and sensing systems. Optical frequency division that leverages optical references and optical frequency combs has emerged as a powerful technique to generate microwaves with superior spectral purity than any other approaches. We demonstrate a miniaturized optical frequency division system that can potentially transfer the approach to a CMOS-compatible integrated photonic platform. Phase stability is provided by a large-mode-volume, planar-waveguide-based optical reference coil cavity and is divided down from optical to mmWave frequency by using soliton microcombs generated in a waveguide-coupled microresonator. Besides achieving record-low phase noise for integrated photonic microwave/mmWave oscillators, these devices can be heterogeneously integrated with semiconductor lasers, amplifiers, and photodiodes, holding the potential of large-volume, low-cost manufacturing for fundamental and mass-market applications.

연구 동기 및 목표

• 통합 광전자 마이크로파 오실레이터에서 위상 안정성과 비선형 효율성 간의 상충 관계를 극복하기 위해 안정성 기능과 주파수 커브 생성 기능을 분리하는 것.
• 버티컬 광주파수 분할 시스템 수준에 도달하는 성능을 갖춘 칩 통합형 저위상잡음 마이크로파 및 mmWave 생성을 가능하게 하는 것.
• 소형화되고 제조가 가능한 플랫폼에서 높은 스펙트럼 순도와 고출력을 동시에 달성하는 것.
• 단일 칩에 SiN 기준 공진기, 마이크로레진터, 레이저, 증폭기, 광다이오드를 이종 통합하는 것이 가능한지 실험적으로 입증하는 것.

제안 방법

• 4m 길이의 평판 웨이브가이드 기반 광학 기준 코ils 공진기와 결합된 상용 반도체 레이저 쌍을 사용하여 고위상 안정성을 확보한다.
• 마이크로레진터에 웨이브가이드를 통합하여 마이크로파 및 mmWave 주파수 분할에 적합한 반복 주파수를 갖는 솔리톤 주파수 커브를 생성한다.
• 펌프 레이저 주파수를 피드백 제어하여 솔리톤 마이크로콤을 기준 레이저에 고정시킴으로써 광학적 안정성이 RF 도메인으로 일관되게 전달되도록 한다.
• 칩 통합형 플립-칩 접합 InP 기반 CC-MUTC 광다이오드를 사용하여 솔리톤 커브를 광검출함으로써 100 GHz에서 고출력 mmWave 신호를 생성한다.
• mmWave 주파수 분할을 적용하여 고주파수 mmWave 출력에서 저주파수 마이크로파 신호를 생성한다.
• 이중 톤 지연 자기혼합 간섭계와 직접 전기적 위상잡음 측정을 통해 광 영역에서 mmWave 출력으로의 위상잡음 전이가 정확히 이루어졌는지 검증한다.

Figure 1: Conceptual illustration of integrated optical frequency division. (a) Simplified schematic. A pair of lasers that are stabilized to an integrated coil reference cavity serve as the optical references and provide phase stability for the mmWave/microwave oscillator. The relative frequency di

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 통합된 광전자 플랫폼이 부피가 큰 광주파수 분할 시스템 수준의 위상잡음 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 칩에 통합된 큰 모드 체적의 평판 웨이브가이드 기준 공진기가 충분한 위상 안정성을 제공하여 저잡음 마이크로파 및 mmWave 생성을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 통합 마이크로레진터 내의 솔리톤 마이크로콤이 기준 레이저에 안정화되어 일관된 주파수 분할을 수행하고, 추가 잡음이 최소화된 상태로 구현될 수 있는가?
• RQ4 통합 광전자 시스템에서 고출력, 저위상잡음 mmWave 신호를 동시에 생성할 수 있는가?
• RQ5 환경적 패키징 및 공통모드 잡음 제거를 통해 현재의 기술적 잡음 한계를 초월해 위상잡음 성능을 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 통합 광주파수 분할 시스템은 10 GHz 캐리어에서 10 kHz 오프셋 주파수에서 -109 dBc/Hz의 위상잡음을 달성하였으며, 이는 기존의 통합 광전자 마이크로파 오실레이터 대비 20 dB 이상 향상된 성능이다.
• 100 GHz mmWave 신호는 10 kHz 오프셋에서 -112 dBc/Hz의 위상잡음을 기록하였으며, 출력 전력은 9 dBm로 이 주파수에서 보고된 바 중 가장 높은 편에 속한다.
• 광학 영역와 전기 영역의 위상잡음 측정 결과가 100 Hz에서 100 kHz 오프셋 주파수 범위에서 우수하게 일치하여, 솔리톤 커브 반복 주파수에서 mmWave 신호로의 안정성 일관성 전이가 성공적으로 이루어졌음을 검증하였다.
• 광다이오드의 펌프 전류가 1에서 18.3 mA 범위로 변화하더라도 위상잡음 수준이 거의 일정하게 유지되어, 고출력과 저위상잡음이 광다이오드의 펌프 전류에 영향을 받지 않고 동시에 달성되고 있음을 시사한다.
• 시스템의 위상잡음은 기준 레이저의 기술적 잡음에 의해 제한되어 있으며, 공진기의 열광학적 잡음에 의해 제한되지 않아, 환경적 패키징 및 잡음 제거 기법을 통해 향후 성능 향상이 가능할 것으로 보인다.
• 현행 분할 비율은 레이저의 주파수 조정 범위에 의해 제한되며, 마이크로콤 대역폭이 아니라, 이는 분산 설계된 마이크로레진터를 사용해 오크타브 스펙트럼 커브를 갖는 경우 더 높은 분할 비율을 달성할 수 있음을 시사한다.

Figure 2: Experimental setup. A pair of reference lasers are created by stabilizing frequencies of lasers A and B to a SiN coil waveguide reference cavity, which is temperature controlled by thermoelectric cooler (TEC). Soliton microcomb is generated in an integrated SiN microresonator. The pump las