[论文解读] An optical micro-comb with a 50GHz free spectral range for photonic microwave true time delays

Xingyuan Xu, Jiayang Wu+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 30被引用 3

一句话总结

本文提出了一种集成微环谐振器（MRR）克尔光学梳状源，自由光谱范围（FSR）为50 GHz，实现了紧凑、低成本的光子微波真实时间延迟线（TTDL）。C波段内81通道的光梳提供了高角度分辨率和宽波束扫描范围，显著提升了相控阵天线的性能，同时减小了系统尺寸和复杂度。

ABSTRACT

We demonstrate significantly improved performance of a microwave true time delay line (TTDL) based on an integrated micro-ring resonator (MRR) Kerr optical comb source with a channel spacing of 49GHz, corresponding to 81 channels over the C-band. The broadband microcomb, with a record low free spectral range of 49GHz, results in a large number of comb lines for the TTDL, greatly reducing the size, cost, and complexity of the system. The large channel count results in a high angular resolution and wide beam steering tunable range of the phased array antenna (PAA). The enhancement of PAA performance matches well with theory, corroborating the feasibility of our approach as a competitive solution towards implementing compact low-cost TTDL in radar and communications systems.

研究动机与目标

• 开发一种用于雷达和通信系统的紧凑、低成本光子微波真实时间延迟线（TTDL）。
• 解决传统TTDL存在的尺寸大、成本高、架构复杂等局限性。
• 利用集成微梳技术，在单片上实现高通道数和精细的频率分辨率。
• 展示利用低FSR微梳实现高性能波束成形在相控阵天线（PAA）中的可行性。

提出的方法

• 利用氮化硅微环谐振器（MRR）生成通道间隔为49 GHz的克尔光学频率梳。
• 实现了49 GHz的自由光谱范围（FSR），对应C波段（1530–1565 nm）内81条光梳线。
• 采用宽带微梳源激发多个光学载波，用于微波信号处理。
• 实施光子TTDL架构，通过光梳线之间的相位差引入时间延迟。
• 利用光梳的高通道数实现相控阵天线中的精细角度分辨率和宽调谐波束扫描。
• 通过理论建模与仿真验证系统性能，结果与实验趋势一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有50 GHz FSR的微梳是否能够实现紧凑、低成本的光子TTDL用于微波波束成形？
• RQ2 微梳中高通道数（81条线）如何提升相控阵天线中的角度分辨率和波束扫描范围？
• RQ3 与传统TTDL相比，基于集成MRR的微梳在多大程度上减小了系统尺寸、成本和复杂度？
• RQ4 使用低FSR微梳源时，波束成形的理论与实际性能增益如何？
• RQ5 基于微梳的TTDL性能是否与相控阵系统理论预测一致？

主要发现

• 微梳实现了49 GHz的记录最低自由光谱范围，实现了C波段内81条光梳线。
• 高通道数显著提升了相控阵天线中的角度分辨率和波束扫描可调范围。
• 该系统展示了紧凑、低成本的光子微波TTDL解决方案，显著降低了硬件复杂度。
• 波束成形性能的理论预测与实验结果一致，验证了设计方法的有效性。
• 基于集成MRR的微梳可实现高性能TTDL的可扩展芯片级集成。
• 50 GHz FSR微梳支持宽带微波信号处理，具有极低相位纹波和高稳定性。