[논문 리뷰] Optical Kerr soliton crystal microcomb source for RF photonic fractional differentiation

Mengxi Tan, Xingyuan Xu외 9명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 08.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 45인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 자유분광역할 49 GHz를 가진 통합 킬러 마이크로콤 소스를 사용하여 15.49 GHz 대역폭에서 0.15에서 0.90 사이의 임의의 분수 주문을 갖는 재구성 가능한 광학 무선파(_RF_) 분수 미분기를 제시한다. 이론적 탭 가중치에 따라 복합선의 진폭과 위상을 형상화함으로써 고정밀 주파수 및 시간 응답을 달성하였으며, 가우시안 펄스 입력을 통한 실험적 검증이 이루어졌다.

ABSTRACT

We report a photonic radio frequency (RF) fractional differentiator based on an integrated Kerr micro-comb source. The micro-comb source has a free spectral range (FSR) of 49 GHz, generating a large number of comb lines that serve as a high-performance multi-wavelength source for the differentiator. By programming and shaping the comb lines according to calculated tap weights, arbitrary fractional orders ranging from 0.15 to 0.90 are achieved over a broad RF operation bandwidth of 15.49 GHz. We experimentally characterize the frequency-domain RF amplitude and phase responses as well as the temporal responses with a Gaussian pulse input. The experimental results show good agreement with theory, confirming the effectiveness of our approach towards high-performance fractional differentiators featuring broad processing bandwidth, high reconfigurability, and potentially greatly reduced size and cost.

연구 동기 및 목표

• 고대역폭 신호 처리를 위한 소형이고 재구성 가능한 광학 무선주파수 분수 미분기를 개발하기 위해.
• 크기 및 비용이 큰 또는 섬유 기반 시스템의 한계를 극복하기 위해 마이크로콤 소스를 사용하여 칩에 미분기를 통합하기 위해.
• 복합선의 프로그래머블 진폭 및 위상 형상화를 통해 임의의 분수 주문의 분수 미분을 가능하게 하기 위해.
• 주파수 도메인과 시간 도메인 양쪽에서 높은 정밀도를 확보한 광역 RF 운영 대역폭을 제공하기 위해.
• 가우시안 펄스 입력을 사용하여 시스템을 실험적으로 검증하고 이론적 예측과 비교하기 위해.

제안 방법

• 자유분광역할 49 GHz를 가진 통합 킬러 마이크로콤 소스가 분수 미분기용 광역, 일관된 다중파장 복합선을 생성한다.
• 임의의 주문을 위해 분수 미분 커널에서 계산된 탭 가중치에 따라 복합선의 진폭과 위상을 개별적으로 프로그래밍한다.
• 시스템은 주파수 응답을 분수 미분 연산자를 모방하도록 형상화하는 전이 함수 접근법을 사용한다.
• 시간 도메인에서의 미분기 동작을 검증하기 위해 가우시안 펄스 입력을 사용하여 시간 응답을 측정한다.
• 마이크로공진기에서 솔리톤 결정 영역을 활용하여 복합선을 안정화하고 고선수 및 평탄한 스펙트럼 응답을 가능하게 한다.
• 이론적 탭 가중치는 분수 미분 커널의 푸리에 변환에서 유도되며, 분수 주문에 대한 정밀한 제어를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 칩 통합 마이크로콤 소스가 광학 무선주파수 분수 미분을 광역 대역폭에서 재구성 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 프로그래머블 복합선 형상화를 통해 0.15에서 0.90 사이의 분수 주문이 얼마나 정확하게 실현될 수 있는가?
• RQ3 측정된 주파수 도메인 진폭 및 위상 응답이 이론적 예측과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ4 가우시안 펄스 입력을 적용했을 때 시간 응답의 정밀도는 어떠한가?
• RQ5 기존의 RF 광학 시스템에 비해 크기와 비용을 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 실험적 검증을 통해 0.15에서 0.90 사이의 임의의 분수 주문을 성공적으로 실현하였다.
• RF 운영 대역폭이 15.49 GHz에 도달하여 광역 스펙트럼 처리 능력을 입증하였다.
• 실험적 주파수 도메인 진폭 및 위상 응답이 이론적 예측과 강력한 일치를 보이며 정확한 커널 모의가 확인되었다.
• 가우시안 펄스 입력에 대한 시간 응답이 기대되는 분수 미분 행동을 잘 따르며 시간 도메인 성능이 검증되었다.
• 킬러 솔리톤 결정 마이크로콤의 사용은 고선수 및 안정적인 광역 복합선 생성을 가능하게 하여 다중파장 운영에 필수적인 조건을 제공한다.
• 결과는 통합 및 비용 절감 가능성이 있는 소형, 재구성 가능하고 고성능 광학 RF 신호 처리 플랫폼을 입증한다.