[논문 리뷰] Testing optomechanical microwave oscillators for SATCOM application

Laura Mercadé, Eloy Rico외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 14.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 25인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 위성 통신(SATCOM)을 위한 실리콘 나노빔 공진기 기반 옵티omechanical 마이크로파 오시레이터(OMO)의 최초 실세계 테스트를 수행한다. 블루디티uned 레이저로 공진기를 구동하여 포논 레이저를 구현함으로써, OMO는 기계적 공진 주파수 3.874 GHz의 정수 배수인 매우 고조성 마이크로파 톤을 생성하며, SATCOM 테스트베드에서 첫 번째 고조파 변환 이득이 -32.8 dBm에 도달하여, 초소형이며 전적으로 광학적인 로컬 오시레이터(Local Oscillator, LO)로서의 잠재력을 입증한다. 이는 SWaP(크기, 무게, 전력 소모)가 극도로 낮은 가능성을 보여준다.

ABSTRACT

The realization of photonic microwave oscillators using optomechanical cavities has recently become a reality. By pumping the cavity with a blue-detuned laser, the so-called phonon lasing regime - in which a mechanical resonance is amplified beyond losses - can be reached and the input signal gets modulated by highly-coherent tones at integer multiples of the mechanical resonance. extcolor{Red}{Implementing optomechanical cavities on released films with high index of refraction can lead to optical modes at telecom wavelengths and mechanical resonances in the GHz scale, resulting in highly-stable signals in the microwave domain upon photodetection}. Owing to the extreme compactness of such cavities, application in satellite communications (SATCOM) seems highly appropriate, but no experiments have been reported so far. In this paper, an optomechanical microwave oscillator (OMO) built on a micron-scale silicon optomechanical crystal cavity is characterized and tested in a real SATCOM testbed. Using a blue-detuned laser, the OMO is driven into a phonon lasing state where multiple harmonics are generated, reaching tones up to 20 GHz. Under this regime, its practical applicability, remarkably addressing its performance as a photonic local oscillator, has been validated. The results, in addition with the advantages of extreme compactness and silicon-technology compatibility, make OMOs very promising candidates to build extcolor{Red}{ultra-low} weight photonics-based microwave oscillators for SATCOM applications.

연구 동기 및 목표

• 실제 SATCOM 테스트베드에서 옵티omechanical 마이크로파 오시레이터(OMO)가 광학적 로컬 오시레이터(LO)로서 실용적 성능을 확보하는 것을 목적으로 한다.
• 기존 전자식 LO와 전기광학 모듈레이터(EOM)를 대체할 수 있는 완전 통합형 전적으로 광학적인 OMO 솔루션의 실현 가능성을 입증한다.
• 시스템 수준의 SATCOM 환경에서 변환 이득, 위상 노이즈, FM 노이즈와 같은 핵심 성능 지표를 평가한다.
• 미래의 위성 기반 광학적 패킷에서의 크기, 무게, 전력 소모(SWaP)를 줄일 수 있는 OMO의 잠재력을 평가한다.

제안 방법

• 기본 기계적 공진 주파수 3.874 GHz, 진공 옵티omechanical 결합률 540 kHz를 갖는 마이크로스케일 실리콘 옵티omechanical 크리스탈 공진기를 기반으로 한 OMO.
• 블루디티uned 연속파(CW) 레이저로 공진기를 구동하여 포논 레이저를 유도하고, 기계적 주파수의 정수 배수인 광학 옆밴드를 생성한다.
• 출력 광신호는 광검출기로 검출되고, 무선주파수 스펙트럼 분석기(RSA)를 통해 마이크로파 톤을 추출한다.
• OMO를 로컬 오시레이터로 사용하여 전체 하향변환 체인을 실현하고, RF 및 IF 포트에서 신호 혼합을 수행하여 변환 이득을 측정한다.
• 장기 안정성 및 노이즈 측정 조건을 포함한 실제 SATCOM 테스트베드(OPTIMA 테스트베드)에서 시스템을 테스트한다.
• 단기 및 장기 윈도우에서 위상 노이즈 및 FM 노이즈를 측정하여 신호 무결성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 옵티omechanical 마이크로파 오시레이터(OMO)는 실제 SATCOM 시스템에서 광학적 로컬 오시레이터(LO)로서 효과적으로 기능할 수 있는가?
• RQ2 실세계 테스트베드에서 OMO의 변환 이득 및 노이즈 성능은 기존 EOM 기반 광학적 LO(PhLO)에 비해 어떻게 비교되는가?
• RQ3 OMO의 내재된 비선형성은 고조파 생성 및 LO 제품 간 신호 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 OMO의 FM 노이즈 및 위상 노이즈는 OPTIMA PhLO와 같은 최신 수준의 시스템과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 OMO는 향후 위성 패킷에서 SWaP(크기, 무게, 전력 소모)를 얼마나 줄일 수 있는가?

주요 결과

• OMO는 구성 3에서 첫 번째 고조파 변환 이득 -32.8 dBm을 기록하여 기존 OPTIMA PhLO 시스템의 성능과 일치시켰다.
• 고차항 하향변환 제품(RF-4LO 및 RF-5LO)은 OPTIMA 시스템의 -114 dBm 대비 더 높은 이득(-108 dBm)을 기록하여 더 강한 내재된 비선형성을 나타냈다.
• 10분 윈도우에서 RF 출력 신호의 FM 노이즈는 RMS 111.7 Hz로, 혼합되지 않은 신호보다 약 10배 높았다.
• 특히 저주파 오프셋에서 OMO 시스템의 SSB 위상 노이즈는 OPTIMA 테스트베드보다 높았으며, 최적화되지 않은 광경로 및 환경 민감도로 인한 영향이 있었다.
• OMO는 내재된 주파수 혼합 기능을 보이며, 고조파 생성을 통해 최대 20 GHz까지 고조성 마이크로파 톤을 생성했다.
• 첫 번째 LO 옆밴드 전력이 낮기는 하지만, OMO의 소형, 수동, 실리콘 기반 적합성 설계는 향후 우주 응용 분야에서 초저SWaP 광학적 LO의 매우 유망한 길을 제시한다.