[论文解读] Coherent resonant Ka-band photonic microwave receiver

Vladimir S. Ilchenko, Jerry Byrd+4 more|ArXiv.org|Jun 19, 2008

Photonic and Optical Devices参考文献 15被引用 5

一句话总结

本文提出并实验演示了一种基于铌酸锂或钽酸锂微腔（WGM）光学谐振器与微波带状线谐振器耦合的相干Ka波段光子微波接收机。通过使用强微波本振（LO）在二次非线性介质中实现三波混频的相位敏感检测，该接收机相比非相干二次混频接收机显著提升了灵敏度和动态范围——在5 MHz带宽内超过100 dB——同时保持线性并抑制二阶互调产物引起的失真。

ABSTRACT

We propose theoretically and demonstrate experimentally a coherent microwave photonic receiver operating at 35 GHz carrier frequency. The device is based on a lithium niobate or lithium tantalate optical whispering gallery mode resonator coupled to a microwave strip line resonator. Microwave local oscillator is fed into the microwave resonator along with the microwave signal. We show that the sensitivity of this receiver significantly exceeds the sensitivity of the incoherent quadratic receiver based on the same technology. The coherent receiver can possess a dynamic range in excess of 100 dB in 5 MHz band if a low noise laser is utilized.

研究动机与目标

• 开发适用于Ka波段应用的高灵敏度、高动态范围微波光子接收机。
• 克服非相干二次混频接收机的局限性，如动态范围受限及二阶互产物引起的非线性失真。
• 证明在WGM谐振器中实现相干检测在谐振光子微波接收机中的可行性。
• 实现相位敏感检测，以测量信号的幅度、频率和相位。
• 通过谐振增强和激光锁定至光学腔体，实现噪声与失真的抑制。

提出的方法

• 接收机采用自由光谱范围（FSR）为35 GHz的铌酸锂或钽酸锂WGM谐振器，同时限制光信号与微波信号。
• 将1550 nm激光锁定至光学谐振以稳定泵浦光并降低相位与强度噪声。
• 将微波信号与本振（LO）注入与WGM谐振器耦合的共面带状线谐振器，实现在二次非线性介质中的三波混频。
• 通过低频光电探测器检测非线性混频过程产生的光边带，利用与LO的相干混频恢复基带信号。
• 采用瑞利散射反馈稳定激光频率，以抑制激光噪声并维持谐振锁定。
• 系统利用谐振增强实现高灵敏度与高动态范围，光学功率受限于材料损伤与模式相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于WGM谐振器的相干光子微波接收机是否能相比非相干二次混频接收机实现更优的灵敏度与动态范围？
• RQ2 强本振的存在如何实现线性检测并抑制二阶非线性引起的失真？
• RQ3 激光锁定至WGM谐振频率对系统噪声与稳定性有何影响？
• RQ4 在低噪声光学泵浦条件下，动态范围在5 MHz带宽内能否超过100 dB？
• RQ5 材料限制（如LiNbO3中的光学损伤）如何影响可实现的光学功率与接收机性能？

主要发现

• 当使用低噪声激光时，相干接收机在5 MHz带宽内实现超过100 dB的动态范围，显著优于非相干二次混频接收机。
• 相干接收机的灵敏度远高于非相干二次混频接收机，理论灵敏度提升可达40 dB（在1 mW光学泵浦功率下）。
• 在相同实验条件下，相干接收机的动态范围至少比二次混频接收机高10 dB，理论上甚至可高出20 dB。
• 由于强本振的存在，接收机表现出线性响应，有效抑制三阶失真，可清晰检测频率相近的信号。
• 二阶失真产物位于相距较远的频率上（例如，35 GHz本振下，35.001 GHz与35.0011 GHz信号的失真产物相距约100 kHz），便于滤波且无干扰。
• 光学损伤与模式相互作用将LiNbO3中最大可用光学功率限制在约50 μW，而LiTaO3的损伤阈值显著更低，支持更高功率运行。