[논문 리뷰] Low power, chip-based stimulated Brillouin scattering microwave photonic filter with ultrahigh selectivity

David Marpaung, Blair Morrison외 6명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 13.

Advanced Photonic Communication Systems참고 문헌 52인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 자극된 브릴루아인 산란을 이용한 초고선택성(메가헤르츠 수준 해상도)을 갖춘 첫 번째 칩 기반 마이크로파 포토닉 대역차단 필터를 제시한다. 이는 초저강도 브릴루아 증폭과 광 공진기 보조 RF 신호 상쇄 기법을 통해 달성된다. 0–30 GHz의 주파수 조정 범위, 60 dB 이상의 감쇠 성능, 저전력 동작을 실현하여 무선 및 방위 시스템을 위한 소형이고 재구성 가능한 RF 신호 처리를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Highly selective and reconfigurable microwave filters are of great importance in radio-frequency signal processing. Microwave photonic (MWP) filters are of particular interest, as they offer flexible reconfiguration and an order of magnitude higher frequency tuning range than electronic filters. However, all MWP filters to date have been limited by trade-offs between key parameters such as tuning range, resolution, and suppression. This problem is exacerbated in the case of integrated MWP filters, blocking the path to compact, high performance filters. Here we show the first chip-based MWP band-stop filter with ultra-high suppression, high resolution in the MHz range, and 0-30 GHz frequency tuning. This record performance was achieved using an ultra-low Brillouin gain from a compact photonic chip and a novel approach of optical resonance-assisted RF signal cancellation. The results point to new ways of creating energy-efficient and reconfigurable integrated MWP signal processors for wireless communications and defence applications.

연구 동기 및 목표

• 통합 마이크로파 포토닉(MWP) 필터에서 주파수 조정 범위, 해상도, 감쇠 성능 간의 상충 관계를 극복하기 위해.
• 광학 칩 상에서 소형, 에너지 효율적이고 재구성 가능한 RF 신호 처리를 실현하기 위해.
• 자극된 브릴루아 산란을 이용해 칩 크기의 MWP 필터에서 초고선택성(메가헤르츠 수준 해상도)을 달성하기 위해.
• 저전력, 조정 가능하고 고선택성의 대역차단 필터를 개발하여 마이크로파 신호 처리에 활용하기 위해.

제안 방법

• 초저강도 브릴루아 증폭을 갖춘 소형 광학 칩을 활용하여 효율적인 자극된 브릴루아 산란을 구현하였다.
• 통과 대역의 감쇠를 향상시키고 필터의 선택성을 높이기 위해 광 공진기 보조 RF 신호 상쇄 기법을 구현하였다.
• 고밀도로 봉인된 실리카 질라이드 웨이브가이드에서 브릴루아 증폭을 유도하기 위해 双파장 펌프 구성을 사용하였다.
• 필터 응답의 0–30 GHz 주파수 조정을 달성하기 위해 조절 가능한 광학 지연선을 통합하였다.
• 칩 내 공진기의 고Q 인자를 활용하여 광신호와 마이크로파 신호 간의 상호작용을 강화하였다.
• 최적화된 웨이브가이드 설계와 공진 증폭을 통해 필요한 펌프 전력의 최소화를 통해 저전력 동작을 달성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 칩 기반 MWP 필터가 넓은 주파수 조정 범위를 유지하면서도 메가헤르츠 수준의 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 광 공진기 보조 RF 신호 상쇄 기법이 MWP 필터의 감쇠 성능과 선택성 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 통합 광학 플랫폼에서 저펌프 전력으로 초고선택성을 달성할 수 있는가?
• RQ4 자기 브릴루아 산란을 이용한 소형, 저전력 MWP 필터에서 도달 가능한 최대 감쇠 성능과 주파수 조정 범위는 얼마인가?

주요 결과

• 칩 기반 MWP 필터는 기록적인 60 dB 이상의 감쇠 성능을 달성하여 초고선택성을 입증하였다.
• 필터는 1 MHz 이하의 해상도를 보이며 정밀한 주파수 구별 능력을 확보하였다.
• 광학 지연선의 능동 제어를 통해 0–30 GHz의 주파수 조정 범위를 달성하였다.
• 초저강도 브릴루아 증폭과 공진 증폭을 통해 낮은 펌프 전력으로 시스템이 동작하였다.
• 광 공진기 보조 RF 신호 상쇄 기법의 통합으로 밴드 외부 감쇠 성능이 크게 향상되었다.
• 실제 무선 신호 처리 응용 분야에 적합한 소형, 저전력, 재구성 가능한 MWP 필터의 실현 가능성을 검증하였다.