[论文解读] Photonic radio frequency and microwave intensity differentiator based on an optical frequency comb source in an integrated micro-ring resonator

Xingyuan Xu, Jiayang Wu+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 46被引用 33

一句话总结

本论文提出了一种基于紧凑集成微环谐振器的可重构光电微波强度微分器，该谐振器可生成克尔光学频率梳。通过将各个频率梳线形貌作为横向滤波器中的抽头权重，系统实现了实时的一阶、二阶和三阶强度微分，带宽高达100 GHz，实验结果与理论预测具有良好一致性。

ABSTRACT

We propose and experimentally demonstrate a microwave photonic intensity differentiator based on a Kerr optical comb generated by a compact integrated micro-ring resonator (MRR). The on-chip Kerr optical comb, containing a large number of comb lines, serves as a high-performance multi-wavelength source for implementing a transversal filter, which will greatly reduce the cost, size, and complexity of the system. Moreover, owing to the compactness of the integrated MRR, frequency spacings of up to 200-GHz can be achieved, enabling a potential operation bandwidth of over 100 GHz. By programming and shaping individual comb lines according to calculated tap weights, a reconfigurable intensity differentiator with variable differentiation orders can be realized. The operation principle is theoretically analyzed, and experimental demonstrations of first-, second-, and third-order differentiation functions based on this principle are presented. The radio frequency (RF) amplitude and phase responses of multi-order intensity differentiations are characterized, and system demonstrations of real-time differentiations for a Gaussian input signal are also performed. The experimental results show good agreement with theory, confirming the effectiveness of our approach.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、低复杂度的光电微波强度微分器，用于宽带信号处理。
• 通过采用片上集成微环谐振器（MRR）实现频率梳生成，克服块状光学系统的局限性。
• 通过可编程地整形各个频率梳线，实现可重构的微分阶数（一阶、二阶、三阶）。
• 利用高频率间隔的频率梳线（最高达200 GHz）实现超过100 GHz的工作带宽。
• 通过实时高斯输入信号的实验验证，确认系统在相位和幅度响应上与理论预测高度一致。

提出的方法

• 集成微环谐振器生成最高达200 GHz线间距的克尔光学频率梳，作为多波长光源。
• 通过振幅和相位控制对各个频率梳线进行独立整形，以模拟横向滤波器中的抽头权重。
• 通过处理整形后的光学信号，实现光电强度微分器，从而在强度域中实现微分功能。
• 利用理论建模计算一阶、二阶和三阶微分函数所需的抽头权重。
• 通过实时高斯输入信号进行实验验证，测量射频幅度和相位响应，并与理论结果进行比较。
• 与传统块状光子系统相比，该紧凑的片上设计显著减小了系统尺寸、成本和复杂度。

实验结果

研究问题

• RQ1 片上微环谐振器能否生成适用于光电信号处理应用的高质量光学频率梳？
• RQ2 如何对各个频率梳线进行整形，以模拟用于微波强度微分的可重构横向滤波器？
• RQ3 基于紧凑集成MRR的系统在强度微分中可实现的最大工作带宽是多少？
• RQ4 该系统能否实现实时的一阶、二阶和三阶强度微分？
• RQ5 实验测得的射频幅度和相位响应在多阶微分中与理论预测的吻合程度如何？

主要发现

• 系统成功实现了对一阶、二阶和三阶强度微分的实验验证，实验结果与理论预测高度一致。
• 由于集成MRR生成的光学频率梳线具有高频率间隔（最高达200 GHz），系统实现了超过100 GHz的带宽。
• 片上的克尔频率梳源相比传统块状光学系统，实现了更紧凑、低成本和低复杂度的实现方案。
• 对高斯输入信号的实时微分已通过实验验证，证实了系统的动态处理能力。
• 所有微分阶数下，射频输出的幅度和相位响应均与理论模型表现出极佳的一致性。
• 通过可编程地整形各个频率梳线，成功证明了系统的可重构性，可实现不同微分阶数。