[논문 리뷰] Photonic microwave oscillators based on integrated soliton microcombs

Junqiu Liu, Erwan Lucas외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 29.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 X-대역 및 K-대역 마이크로파 주파수에서 작동하는 광학 통합 솔리톤 마이크로콤을 구현하여, 10 kHz 오프셋에서 105 dBc/Hz 이하의 낮은 위상 잡음 성능을 달성하고, 전자 합성기 수준의 성능을 갖춘 마이크로파 신호를 생성함으로써, 칩 상에서 소형, 저전력, 저잡음 마이크로파 합성 구현을 가능하게 한다. 장치는 반복 주파수 안정화 및 스펙트럼 정제를 위해 주입 잠금을 활용하며, 이로 인해 칩 기반의 저소비전력, 저잡음 마이크로파 합성 시스템이 실현된다.

ABSTRACT

Microwave photonic technologies, which upshift the carrier into the optical domain to facilitate the generation and processing of ultrawide-band electronic signals at vastly reduced fractional bandwidths, have the potential to achieve superior performance compared to conventional electronics for targeted functions. For microwave photonic applications such as filters, coherent radars, subnoise detection, optical communications and low-noise microwave generation, frequency combs are key building blocks. By virtue of soliton microcombs, frequency combs can now be built using CMOS compatible photonic integrated circuits, operated with low power and noise, and have already been employed in system-level demonstrations. Yet, currently developed photonic integrated microcombs all operate with repetition rates significantly beyond those that conventional electronics can detect and process, compounding their use in microwave photonics. Here we demonstrate integrated soliton microcombs operating in two widely employed microwave bands, X- and K-band. These devices can produce more than 300 comb lines within the 3-dB-bandwidth, and generate microwave signals featuring phase noise levels below 105 dBc/Hz (140 dBc/Hz) at 10 kHz (1 MHz) offset frequency, comparable to modern electronic microwave synthesizers. In addition, the soliton pulse stream can be injection-locked to a microwave signal, enabling actuator-free repetition rate stabilization, tuning and microwave spectral purification, at power levels compatible with silicon-based lasers (<150 mW). Our results establish photonic integrated soliton microcombs as viable integrated low-noise microwave synthesizers. Further, the low repetition rates are critical for future dense WDM channel generation schemes, and can significantly reduce the system complexity of photonic integrated frequency synthesizers and atomic clocks.

연구 동기 및 목표

• 기존 전자 감지 및 처리 시스템과 호환되는 마이크로파 주파수에서 작동하는 광학 통합 솔리톤 마이크로콤을 개발하는 것.
• 기존 마이크로콤이 전자 시스템에서 처리하기에 너무 높은 반복 주파수를 갖는 제한을 극복하는 것.
• 통합 광학 플랫폼을 사용하여 최신 전자 합성기 수준의 낮은 위상 잡음 마이크로파 신호를 달성하는 것.
• 외부 마이크로파 신호에 대한 주입 잠금을 통해 액추에이터 없이도 마이크로콤 반복 주파수의 안정화 및 튜닝을 가능하게 하는 것.
• 저반복 주파수 작동을 통해 광학 통합 주파수 합성기 및 원자 시계의 시스템 복잡도를 감소시키는 것.

제안 방법

• 저전력 소모 및 낮은 잡음 성능을 갖춘 솔리톤 마이크로콤을 제작하기 위해 CMOS 호환 광학 통합 회로를 활용하는 것.
• 마이크로콤의 자유 스펙트럴 간격(Free Spectral Range)을 X-대역(8–12 GHz) 및 K-대역(18–27 GHz) 마이크로파 주파수 범위 내에 맞추기 위한 설계.
• 마이크로레조너에서 생성된 솔리톤 펄스 트레인을 활용하여 3-dB 대역폭 내에서 300개 이상의 선을 갖는 광역대 주파수 콤을 생성하는 것.
• 반복 주파수 안정화 및 스펙트럼 정제를 위해 외부 마이크로파 신호에 대한 주입 잠금을 구현하는 것.
• 실리콘 기반 레이저와 호환되는 입력 전력 수준(150 mW 이하)에서 운영하여 저전력 작동을 확보하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 전자 시스템과 호환되는 마이크로파 주파수에서 작동하는 솔리톤 마이크로콤을 설계할 수 있는가?
• RQ2 X-대역 및 K-대역에서 통합 솔리톤 마이크로콤이 달성할 수 있는 위상 잡음 성능는 어떠한가?
• RQ3 액추에이터 없이 주입 잠금을 통해 광학 통합 솔리톤 마이크로콤의 반복 주파수를 안정화시킬 수 있는가?
• RQ4 마이크로콤의 반복 주파수가 광학 통합 주파수 합성기에서의 시스템 복잡도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 CMOS 호환 광학 통합 회로를 사용하여 저전력, 고성능 마이크로파 신호를 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 통합 솔리톤 마이크로콤은 3-dB 대역폭 내에서 300개 이상의 콤 라인을 생성하여 광역대 마이크로파 신호 생성이 가능하다.
• 장치는 10 kHz 오프셋 주파수에서 위상 잡음 수준이 105 dBc/Hz 이하이며, 1 MHz 오프셋 주파수에서 140 dBc/Hz를 달성하여 현대 전자 마이크로파 합성기의 성능과 동일한 수준을 확보한다.
• 주입 잠금을 통해 액추에이터 없이도 반복 주파수의 안정화, 튜닝 및 스펙트럼 정제가 가능하며, 실리콘 기반 레이저와 호환되는 전력 수준(<150 mW)에서 작동한다.
• 저반복 주파수(이론적으로 X-대역 및 K-대역 내) 작동은 광학 통합 주파수 합성기 및 원자 시계에서의 시스템 복잡도를 크게 감소시킨다.
• 결과적으로 광학 통합 솔리톤 마이크로콤은 실용적 응용 분야에서 실현 가능한 저잡음, 소형, 저전력 마이크로파 합성기로 입증되었다.