[论文解读] Microwave and RF signal processing based on integrated soliton crystal optical microcombs

Xingyuan Xu, Mengxi Tan+4 more|Figshare|Sep 7, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 37被引用 9

一句话总结

本文提出了一种集成孤子晶格光频梳，作为紧凑且可重构的光子微波与射频（RF）信号处理平台。通过利用芯片上的宽带多波长频率梳，该系统实现了真正的时延、可调滤波器、希尔伯特变换器、微分器以及信道复用器，具备高光谱效率和宽奈奎斯特带宽，展现出在集成射频光子学应用中的巨大潜力。

ABSTRACT

Microcombs are powerful tools as sources of multiple wavelength channels for photonic RF signal processing. They offer a compact device footprint, large numbers of wavelengths, and wide Nyquist bands. Here, we review recent progress on microcomb-based photonic RF signal processors, including true time delays, reconfigurable filters, Hilbert transformers, differentiators, and channelizers. The strong potential of optical micro-combs for RF photonics applications in terms of functions and integrability is also discussed.

研究动机与目标

• 开发一种基于孤子晶格光频梳的紧凑集成平台，用于光子微波与射频信号处理。
• 通过芯片集成实现微型化与可扩展性，以解决传统分立或块状射频光子系统存在的局限性。
• 利用单一微梳源，实现多种射频信号处理功能（如真正时延、可重构滤波器和微分器）的演示。
• 评估微梳在下一代射频光子学系统中功能的多功能性与可集成性。
• 确立孤子晶格微梳在高速、多通道射频信号操控中实现低功耗与高光谱效率的可行性。

提出的方法

• 采用集成孤子晶格光频梳，在单个芯片上生成跨多个光信道的相干宽带频率梳。
• 利用微梳的宽自由光谱范围和高信道数，同时支持多种射频信号处理功能。
• 将微梳用作光子信号处理架构中的多波长本振源或信号源。
• 通过马赫-曾德尔或干涉结构中对梳线的相干混频与相位控制，实现时延与滤波功能。
• 通过光谱整形与相位工程，在梳状谱上实现具有定制传输函数的希尔伯特变换器与微分器。
• 通过动态调节微梳的光谱形状与相位分布，实现可重构性，以按需定制处理响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 集成孤子晶格微梳是否能在单一紧凑平台上支持广泛的光子射频信号处理功能？
• RQ2 孤子晶格微梳的光谱平坦度与相位稳定性如何影响真正时延与滤波等射频信号处理操作的性能？
• RQ3 与传统射频光子系统相比，微梳基系统在可重构性与宽带操作方面能达到何种程度？
• RQ4 片上微梳在实现可扩展、低功耗射频光子处理器方面具有何种潜力？
• RQ5 梳线数量及其光谱间隔如何影响信道复用器与微分器的性能？

主要发现

• 集成孤子晶格微梳可在单个芯片上实现多种射频信号处理功能，包括真正时延、可重构滤波器、希尔伯特变换器、微分器与信道复用器。
• 微梳的宽光谱带宽支持宽奈奎斯特频带，实现高容量射频信号处理，且信道间串扰极小。
• 通过动态控制微梳的光谱形状与相位分布，系统实现了可重构性，支持按需切换处理功能。
• 采用单一集成光源显著降低了系统复杂度与占地面积，优于传统多激光器或分立元件方案。
• 该平台实现了高光谱效率与低功耗，适用于下一代光子集成电路。
• 结果证实，孤子晶格微梳在通信、雷达与传感等应用中，具备实现可扩展、高性能射频光子学系统的巨大潜力。