[論文レビュー] Coherent resonant Ka-band photonic microwave receiver

Vladimir S. Ilchenko, Jerry Byrd+4 more|ArXiv.org|Jun 19, 2008

Photonic and Optical Devices参考文献 15被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、リチウムニオブ酸ガラスまたはタンタル酸ガラスのウィスピングギャラリー・モード（WGM）光学共振器をマイクロ波ストリップライン共振器と結合させた、整合的共振Kaバンド光エレクトロニクスマイクロ波受信機の提案と実験的検証を報告する。二次非線形媒質における三波混合を介した位相に敏感な検出を可能にする強力なマイクロ波局所発信器（LO）を用いることで、非整合的二次受信機と比較して、100 dBを超える動的範囲（5 MHz帯域幅）を達成する顕著な感度向上が実現された。同時に、線形性を維持し、二次相互変調歪みを抑制した。

ABSTRACT

We propose theoretically and demonstrate experimentally a coherent microwave photonic receiver operating at 35 GHz carrier frequency. The device is based on a lithium niobate or lithium tantalate optical whispering gallery mode resonator coupled to a microwave strip line resonator. Microwave local oscillator is fed into the microwave resonator along with the microwave signal. We show that the sensitivity of this receiver significantly exceeds the sensitivity of the incoherent quadratic receiver based on the same technology. The coherent receiver can possess a dynamic range in excess of 100 dB in 5 MHz band if a low noise laser is utilized.

研究の動機と目的

• Kaバンド応用向けに高感度・高動的範囲のマイクロ波光エレクトロニクス受信機の開発を目的とする。
• 二次受信機の限界、特に動的範囲の制限および二次相互変調歪みに起因する非線形歪みを克服することを目的とする。
• WGM共振器を用いた共振光エレクトロニクスマイクロ波受信機における整合的検出の実現可能性を実証することを目的とする。
• 信号の振幅、周波数、位相の測定を可能にする位相に敏感な検出を達成することを目的とする。
• 共振増幅とレーザーを光学キャビティにロックすることによるノイズおよび歪みの抑制を目的とする。

提案手法

• 35 GHzの自由スペクトル範囲（FSR）を有するリチウムニオブ酸ガラスまたはリチウムタンタル酸ガラスのWGM共振器を用い、光信号とマイクロ波信号を同時に閉じ込める。
• 1550 nmのレーザーを光学共振にロックすることでポンプの安定化と位相・強度ノイズの低減を図る。
• マイクロ波信号と局所発信器（LO）をWGM共振器に結合された共面ストリップライン共振器に注入し、二次非線形媒質における三波混合を実現する。
• 非線形混合プロセスによって生成された光側帯は、低周波数の光検出器で検出し、LOとの混合によりベースバンド信号を回復する。
• レーザー周波数をレイリー散乱フィードバックを用いて安定化させ、レーザーノイズを低減し、共鳴ロックを維持する。
• システムは共振増幅を活用して高感度および高動的範囲を達成するが、材料破損およびモード相互作用によって光パワーが制限される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WGM共振器を用いた整合的光エレクトロニクスマイクロ波受信機は、非整合的二次受信機と比較して優れた感度および動的範囲を達成できるか？
• RQ2 強力な局所発信器の存在が、線形検出を可能にし、二次非線形性に起因する歪みを抑制するメカニズムは何か？
• RQ3 WGM共鳴にレーザーをロックすることによるシステムのノイズおよび安定性への影響は何か？
• RQ4 低ノイズ光ポンプを用いた場合、5 MHz帯域幅で動的範囲が100 dBを超える程度は達成できるか？
• RQ5 材料の限界（例：LiNbO3における光損傷）が、達成可能な光パワーおよび受信機性能に与える影響は何か？

主な発見

• 低ノイズレーザーを用いた場合、整合的受信機は5 MHz帯域幅で100 dBを超える動的範囲を達成し、非整合的二次受信機と比較して顕著に優れた性能を示す。
• 整合的受信機の感度は非整合的二次受信機と比較して顕著に高く、1 mWの光ポンプパワーにおける理論的改善は最大40 dBに達する。
• 同一実験条件下で、整合的受信機の動的範囲は二次受信機よりも少なくとも10 dB高く、理論的には最大20 dBも高い可能性がある。
• 強力なLOの存在により線形応答を示し、三次歪みを抑制することで、近接する周波数成分のクリアな検出が可能になる。
• 二次歪み成分は広く分離された周波数に現れる（例：35 GHz LOの場合、35.001 GHzおよび35.0011 GHzの信号に対して100 kHzのずれ）、干渉を避けるために容易にフィルタリング可能である。
• 光損傷およびモード相互作用により、リチウムニオブ酸ガラスでは最大使用可能光パワーが約50 μWに制限されるが、リチウムタンタル酸ガラスは著しく低い損傷閾値を示し、より高い出力での動作が可能になる。