[论文解读] Low power, chip-based stimulated Brillouin scattering microwave photonic filter with ultrahigh selectivity

David Marpaung, Blair Morrison+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2014

Advanced Photonic Communication Systems参考文献 52被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种基于受激布里渊散射的首个芯片级微波光子陷波滤波器，实现了超高选择性（MHz量级分辨率），通过超低布里渊增益和光学共振辅助射频信号抵消实现。该滤波器具备0–30 GHz调谐范围、>60 dB抑制性能及低功耗特性，可实现紧凑、可重构的射频信号处理，适用于无线与国防系统。

ABSTRACT

Highly selective and reconfigurable microwave filters are of great importance in radio-frequency signal processing. Microwave photonic (MWP) filters are of particular interest, as they offer flexible reconfiguration and an order of magnitude higher frequency tuning range than electronic filters. However, all MWP filters to date have been limited by trade-offs between key parameters such as tuning range, resolution, and suppression. This problem is exacerbated in the case of integrated MWP filters, blocking the path to compact, high performance filters. Here we show the first chip-based MWP band-stop filter with ultra-high suppression, high resolution in the MHz range, and 0-30 GHz frequency tuning. This record performance was achieved using an ultra-low Brillouin gain from a compact photonic chip and a novel approach of optical resonance-assisted RF signal cancellation. The results point to new ways of creating energy-efficient and reconfigurable integrated MWP signal processors for wireless communications and defence applications.

研究动机与目标

• 为解决集成微波光子（MWP）滤波器中调谐范围、分辨率与抑制性能之间的权衡问题。
• 实现在光子芯片上紧凑、低功耗且可重构的射频信号处理。
• 利用受激布里渊散射在芯片级MWP滤波器中实现超高选择性（MHz量级分辨率）。
• 开发一种低功耗、可调谐且高度选择性的带阻滤波器，用于微波信号处理。

提出的方法

• 采用具有超低布里渊增益的紧凑光子芯片，以实现高效的受激布里渊散射。
• 通过光学共振辅助射频（RF）信号抵消技术，抑制通带并提升滤波器选择性。
• 采用双波长泵浦配置，激发高度限制的氮化硅波导中的布里渊增益。
• 集成可调谐光学延迟线，实现滤波响应在0–30 GHz范围内的频率调谐。
• 利用片上谐振器的高Q因子，增强光信号与微波信号之间的相互作用。
• 通过优化波导设计与共振增强，最小化所需泵浦功率，实现低功耗运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 芯片级MWP滤波器是否能在保持宽调谐范围的同时实现MHz量级分辨率？
• RQ2 光学共振辅助射频信号抵消如何提升MWP滤波器的抑制性能与选择性？
• RQ3 在集成光子平台上是否可能以低泵浦功率实现超高选择性？
• RQ4 采用受激布里渊散射的紧凑、低功耗MWP滤波器可实现的最大抑制性能与调谐范围是多少？

主要发现

• 该芯片级MWP滤波器实现了超过60 dB的记录级抑制性能，展现出超高选择性。
• 滤波器的分辨率低于1 MHz，可实现精确的频率分辨。
• 通过主动控制光学延迟线，实现了0–30 GHz的调谐范围。
• 由于采用超低布里渊增益与共振增强，系统实现了低泵浦功率运行。
• 光学共振辅助射频信号抵消的集成显著提升了带外抑制性能。
• 结果验证了紧凑、低功耗、可重构MWP滤波器在实际射频信号处理应用中的可行性。