[论文解读] Comb-based radio-frequency photonic filters: rounts to nanosecond tuning speed and extremely high stopband attenuation

V. R. Supradeepa, Christopher M. Long+5 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2011

Advanced Photonic Communication Systems被引用 1

一句话总结

该论文提出了一种基于梳状射频光子滤波器，通过利用光延迟控制和级联四波混频，实现了纳秒级调谐速度（约40 ns）和极高的阻带抑制（>70 dB）。该方法可实现可重构、高选择性的射频滤波器，具有高斯形响应特性，并能显著抑制旁瓣和带外信号。

ABSTRACT

Photonic technologies have received considerable attention for enhancement of radio-frequency (RF) electrical systems, including high-frequency analog signal transmission, control of phased arrays, analog-to-digital conversion, and signal processing. Although the potential of radio-frequency photonics for implementation of tunable electrical filters over broad RF bandwidths has been much discussed, realization of programmable filters with highly selective filter lineshapes and rapid reconfigurability has faced significant challenges. A new approach for RF photonic filters based on frequency combs offers a potential route to simultaneous high stopband attenuation, fast tunability, and bandwidth reconfiguration. In one configuration tuning of the RF passband frequency is demonstrated with unprecedented (~40 ns) speed by controlling the optical delay between combs. In a second, fixed filter configuration, cascaded four-wave mixing simultaneously broadens and smoothes comb spectra, resulting in Gaussian RF filter lineshapes exhibiting extremely high (>60 dB) main lobe to sidelobe suppression ratio and (>70 dB) stopband attenuation.

研究动机与目标

• 为解决可调射频光子滤波器中实现快速可重构性和高选择性的挑战。
• 克服现有射频光子滤波器在调谐速度慢和阻带抑制不足方面的局限性。
• 实现具有宽射频带宽、高线性度和快速可重构能力的可编程滤波器，以满足先进射频系统的需求。
• 展示具有优异频谱性能的可调和固定滤波器配置。

提出的方法

• 以光频率梳为基础，通过精确控制梳状光之间的时间延迟，生成可调射频滤波响应。
• 采用级联四波混频技术展宽并平滑梳状光谱，从而获得高斯形射频滤波响应。
• 利用平滑后梳状光谱的频谱特性，实现主瓣与旁瓣抑制比超过60 dB。
• 通过调节梳状光之间的光延迟控制射频通带中心频率，实现约40 ns的调谐速度。
• 采用优化的四波混频固定滤波器配置，实现超过70 dB的阻带抑制。
• 依赖集成或光纤基平台中的非线性光学过程实现滤波功能。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于梳状的光子滤波器能否实现亚微秒级调谐速度，适用于实时射频系统？
• RQ2 四波混频在多大程度上可改善射频光子滤波器的频谱平滑性并抑制旁瓣？
• RQ3 在固定梳状射频光子滤波器配置中，可实现多高的阻带抑制？
• RQ4 光延迟控制如何实现射频通带中心频率的快速重构？
• RQ5 梳状光整形与延迟调谐的结合能否同时实现高选择性和大带宽？

主要发现

• 所提出的可调滤波器配置实现了约40 ns的调谐速度，相较于以往的射频光子滤波器有显著提升。
• 在固定配置下，滤波器的主瓣与旁瓣抑制比超过60 dB，表明具有极高的频谱选择性。
• 阻带抑制超过70 dB，证明具有极强的带外信号抑制能力。
• 级联四波混频有效展宽并平滑了梳状光谱，从而实现了高斯形射频滤波器响应。
• 该方法可通过光域调控同时实现带宽、中心频率和频谱纯净度的控制。
• 结果证实了在单一光子滤波器架构中同时实现高可重构性和极端频谱性能的可行性。