[论文解读] Optical Kerr soliton crystal microcomb source for RF photonic fractional differentiation

Mengxi Tan, Xingyuan Xu+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 45被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于集成Kerr微梳源的可重构光电射频分数阶微分器，其自由光谱范围为49 GHz，可在15.49 GHz带宽内实现0.15至0.90之间的任意分数阶数。通过根据理论抽头权重对梳线的幅度和相位进行整形，系统实现了高保真度的频率响应与时域响应，实验验证采用高斯脉冲输入。

ABSTRACT

We report a photonic radio frequency (RF) fractional differentiator based on an integrated Kerr micro-comb source. The micro-comb source has a free spectral range (FSR) of 49 GHz, generating a large number of comb lines that serve as a high-performance multi-wavelength source for the differentiator. By programming and shaping the comb lines according to calculated tap weights, arbitrary fractional orders ranging from 0.15 to 0.90 are achieved over a broad RF operation bandwidth of 15.49 GHz. We experimentally characterize the frequency-domain RF amplitude and phase responses as well as the temporal responses with a Gaussian pulse input. The experimental results show good agreement with theory, confirming the effectiveness of our approach towards high-performance fractional differentiators featuring broad processing bandwidth, high reconfigurability, and potentially greatly reduced size and cost.

研究动机与目标

• 开发一种用于宽带信号处理的紧凑型、可重构光电射频分数阶微分器。
• 通过在芯片上集成微梳源，克服传统分立或光纤系统存在的局限性。
• 通过可编程地调节梳线的幅度和相位，实现任意分数阶微分。
• 在频率域与时域均实现高保真度的宽带射频操作。
• 通过高斯脉冲输入对系统进行实验验证，并与理论预测结果进行对比。

提出的方法

• 采用自由光谱范围为49 GHz的集成Kerr微梳源，生成宽带、相干的多波长梳状光谱，用于微分器。
• 根据任意阶数的分数阶微分核计算出的抽头权重，对梳线的幅度和相位进行独立编程。
• 系统采用传输函数方法，通过整形频率响应以模拟分数阶微分算子。
• 通过高斯脉冲输入测量时域响应，以验证微分器在时域中的行为。
• 利用微谐振腔中的孤子晶格态实现梳状光谱的稳定，从而支持高线数与平坦的光谱响应。
• 理论抽头权重由分数阶微分核的傅里叶变换推导得出，从而实现对微分阶数的精确控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 芯片集成的微梳源是否能够实现在宽频带内可重构的射频光学生分数阶微分？
• RQ2 通过可编程梳线整形，0.15至0.90之间的分数阶微分阶数能在多大程度上被精确实现？
• RQ3 测量得到的频率域幅度与相位响应与理论预测的吻合程度如何？
• RQ4 在对高斯脉冲输入应用微分器时，其时域响应的保真度如何？
• RQ5 与传统射频光学生系统相比，该系统是否能在减小尺寸与成本的同时实现高性能？

主要发现

• 实验验证确认，系统成功实现了0.15至0.90之间的任意分数阶微分阶数。
• 射频工作带宽达到15.49 GHz，展现出强大的宽带谱处理能力。
• 实验测得的频率域幅度与相位响应与理论预测高度一致，证实了核函数的精确模拟。
• 对高斯脉冲输入的时域响应与预期的分数阶微分行为相符，验证了时域性能。
• 采用Kerr孤子晶格微梳源可实现高线数与稳定、宽带的光谱生成，对多波长运行至关重要。
• 结果表明，该平台具备紧凑性、可重构性与高性能，为光电射频信号处理提供了潜在的集成化与成本降低路径。