[논문 리뷰] Photonic radio frequency and microwave intensity differentiator based on an optical frequency comb source in an integrated micro-ring resonator

Xingyuan Xu, Jiayang Wu외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 27.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 46인용 수 33

한 줄 요약

이 논문은 고유한 통합 마이크로링 레조너(이하 MRR)를 이용해 케러 광학 주파수 조합을 생성하는 재구성 가능한 포토닉 마이크로파 강도 미분기의 구현을 제안한다. 획득한 주파수 조합의 각 선을 횡방향 필터의 탭 가중치로 형상화함으로써, 실시간 운영이 가능하고 최대 100 GHz 대역폭을 갖는 일阶, 이阶, 삼계 강도 미분을 달성한다. 이론과의 양호한 일치를 바탕으로 실험적으로 검증되었다.

ABSTRACT

We propose and experimentally demonstrate a microwave photonic intensity differentiator based on a Kerr optical comb generated by a compact integrated micro-ring resonator (MRR). The on-chip Kerr optical comb, containing a large number of comb lines, serves as a high-performance multi-wavelength source for implementing a transversal filter, which will greatly reduce the cost, size, and complexity of the system. Moreover, owing to the compactness of the integrated MRR, frequency spacings of up to 200-GHz can be achieved, enabling a potential operation bandwidth of over 100 GHz. By programming and shaping individual comb lines according to calculated tap weights, a reconfigurable intensity differentiator with variable differentiation orders can be realized. The operation principle is theoretically analyzed, and experimental demonstrations of first-, second-, and third-order differentiation functions based on this principle are presented. The radio frequency (RF) amplitude and phase responses of multi-order intensity differentiations are characterized, and system demonstrations of real-time differentiations for a Gaussian input signal are also performed. The experimental results show good agreement with theory, confirming the effectiveness of our approach.

연구 동기 및 목표

• 고대역 신호 처리를 위한 컴팩트하고 복잡도가 낮은 포토닉 마이크로파 강도 미분기를 개발하기 위해.
• 기존의 대형 광학 시스템의 한계를 극복하고, 주파수 조합 생성을 위한 칩 내 통합 마이크로링 레조너(MRR)를 활용하기 위해.
• 개별 주파수 조합 선의 프로그래밍 가능한 형상화를 통해 1계, 2계, 3계의 재구성 가능한 미분 순서를 실현하기 위해.
• MRR에서 유도된 고주기 간격의 조합 선(최대 200 GHz)을 이용해 넓은 운영 대역폭(100 GHz 이상)을 달성하기 위해.
• 이론적 예측과 일치하는 정밀한 위상 및 진폭 응답을 보장하는 실시간 가우시안 입력 신호의 강도 미분을 실험적으로 구현하기 위해.

제안 방법

• 통합 마이크로링 레조너가 최대 200-GHz 간격의 케러 광학 주파수 조합을 생성하며, 이는 다중 파장 소스로 기능한다.
• 조합 선을 진폭 및 위상 제어를 통해 개별적으로 형상화하여 횡방향 필터의 탭 가중치를 모방한다.
• 형상화된 조합을 처리함으로써 광신호를 처리하는 방식으로 포토닉 강도 미분기를 실현하며, 강도 영역에서의 미분을 달성한다.
• 이론적 모델링을 통해 일계, 이계, 삼계 강도 미분 함수에 필요한 탭 가중치를 계산한다.
• 실시간 가우시안 입력 신호를 사용하여 실험적 검증을 수행하며, RF 진폭 및 위상 응답을 이론과 비교한다.
• 기존의 대형 광학 시스템 대비 컴팩트한 칩 내 설계로 시스템 크기, 비용, 복잡도를 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 칩 내 마이크로링 레조너가 포토닉 신호 처리 응용에 적합한 고품질 광학 주파수 조합을 생성할 수 있는가?
• RQ2 개별 주파수 조합 선을 어떻게 형상화하여 마이크로파 강도 미분을 위한 재구성 가능한 횡방향 필터를 모방할 수 있는가?
• RQ3 컴팩트한 통합 MRR 기반 시스템에서 강도 미분을 위한 최대 운영 대역폭은 얼마인가?
• RQ4 시스템이 실시간으로 정확한 1계, 2계, 3계 강도 미분을 달성할 수 있는가?
• RQ5 실험적 RF 진폭 및 위상 응답이 다중 계수의 미분에 대해 이론 예측과 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• 실험 결과가 이론 예측과 밀도 높은 일치를 보이며, 일계, 이계, 삼계 강도 미분이 성공적으로 구현되었다.
• 통합 MRR에서 생성된 고주기 간격의 주파수 조합 선(최대 200 GHz) 덕분에 100 GHz 이상의 대역폭이 달성되었다.
• 칩 내 케러 조합 소스는 기존의 대형 광학 시스템 대비 컴팩트하고 저비용, 저복잡도의 실현 가능성을 제공한다.
• 실시간 가우시안 입력 신호의 강도 미분이 실험적으로 검증되었으며, 시스템의 동적 능력을 확인하였다.
• 모든 미분 순서에서 RF 출력의 진폭 및 위상 응답이 이론 모델과 뛰어난 일치를 보였다.
• 개별 주파수 조합 선의 프로그래밍 가능한 형상화를 통해 다양한 미분 순서를 달성할 수 있음을 통해 재구성 가능성의 실현이 입증되었다.