[论文解读] Digital-photonic synthesis of ultra-low noise tunable signals from RF to 100 GHz

Tara M. Fortier, Antoine Rolland+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2015

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 39被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种数字-光子合成器（DPS），通过利用光频率分频（OFD）技术生成子2 Hz分数频率不稳定性的基准时基，实现了从射频到100 GHz的超低相位噪声、宽频带可调谐信号。DPS在100 GHz频段的近端相位噪声性能比当前最先进的源高出近7个数量级，为下一代通信、雷达和计量应用提供了高精度频率合成能力。

ABSTRACT

The demand for higher data rates and better synchronization in communication and navigation systems necessitates the development of new wideband and tunable sources with noise performance exceeding that provided by traditional oscillators and synthesizers. Precision synthesis is paramount for providing frequency references and timing in a broad range of applications including next-generation telecommunications, high precision measurement, and radar and sensing. Here we describe a digital-photonic synthesizer (DPS) based on optical frequency division that enables the generation of widely tunable signals from near DC to 100 GHz with a fractional frequency instability of 1 part in 10^15. The spectral purity of the DPS derived signals represents an improvement in close-to-carrier noise performance over the current state-of-the-art of nearly 7 orders of magnitude in the W-band (100 GHz), and up to 5 orders of magnitude in the X-band (10 GHz).

研究动机与目标

• 开发一种宽带、可调谐信号源，其相位噪声性能优于传统电子合成器。
• 克服石英振荡器在高频微波和毫米波系统中带来的噪声限制。
• 实现从直流到100 GHz的精确、灵活频率合成，分数不稳定度低于10⁻¹⁵。
• 展示适用于通信、雷达和精密测量等先进应用的频谱纯净度与稳定性。
• 将光频率分频与直接数字合成（DDS）及光电乘法技术集成，实现宽带、低噪声信号生成。

提出的方法

• 将518 THz的光参考频率稳定至Q值约为10¹¹的超稳光学谐振腔，提供低噪声基准时基。
• 通过10⁵倍光频率分频（OFD）生成重复频率为2 GHz的微波频率梳，分数不稳定度低于2 Hz。
• 将OFD频率梳的2 GHz基波分量用作直接数字合成器（DDS）的时钟，生成从直流到800 MHz的相位可调射频信号。
• 通过IQ混频器和电光调制器实现光电乘法，生成更高频段信号（X波段：10 GHz，W波段：100 GHz）。
• 对于100 GHz信号，使用200 mW连续光激光，通过电光调制器（EOM）由两个10 GHz信号进行相位调制，再利用100 GHz光纤耦合谐振腔选择±5次光边带。
• 使用W波段UTC光电二极管对100 GHz光边带进行混频检测，获得输出功率为-5 dBm、每检测器入射功率为15 mW的100 GHz微波信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 光频率分频能否提供足够稳定的基准时基，以实现在射频至100 GHz频段的超低相位噪声合成？
• RQ2 数字-光子合成如何同时实现超宽带可调谐性与低于10⁻¹⁵的分数频率不稳定度？
• RQ3 与传统电子合成相比，光电乘法在毫米波频段能将相位噪声性能提升多少？
• RQ4 基于DPS的100 GHz信号源的近端相位噪声性能能达到何种水平？与当前最先进水平相比如何？
• RQ5 能否独立生成并精确比较两个100 GHz信号，以验证系统的稳定性和频谱纯净度？

主要发现

• DPS在1秒平均时间下实现10¹⁵分之一的分数频率不稳定度，证明2 GHz基准时基的稳定性低于2 Hz。
• 在100 GHz频段，近端相位噪声性能相比当前最先进水平提升了近7个数量级。
• 在10 GHz频段，相位噪声性能相比现有系统最高提升了5个数量级。
• 100 GHz信号的相位噪声底限接近载波功率的18个数量级以下，表明其接近量子极限噪声性能。
• IQ混频器中的镜像和本振抑制达到约30 dB，通过幅度和相位平衡可进一步优化。
• 由两台相同合成器独立生成的100 GHz信号在相位噪声和频率稳定性方面均与系统理论极限一致，验证了系统的相位一致性和稳定性。