[论文解读] Testing optomechanical microwave oscillators for SATCOM application

Laura Mercadé, Eloy Rico+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Mechanical and Optical Resonators参考文献 25被引用 8

一句话总结

本论文首次在真实卫星通信（SATCOM）环境中测试了基于硅纳米梁谐振腔的光机电微波振荡器（OMO）。通过使用蓝失谐激光驱动腔体以实现声子激光，OMO在3.874 GHz机械共振频率的整数次谐波上生成高度相干的微波信号，实测第一次谐波转换增益为-32.8 dBm，验证了其作为紧凑、全光学本地振荡器在超低SWaP（尺寸、重量和功耗）方面的潜力。

ABSTRACT

The realization of photonic microwave oscillators using optomechanical cavities has recently become a reality. By pumping the cavity with a blue-detuned laser, the so-called phonon lasing regime - in which a mechanical resonance is amplified beyond losses - can be reached and the input signal gets modulated by highly-coherent tones at integer multiples of the mechanical resonance. extcolor{Red}{Implementing optomechanical cavities on released films with high index of refraction can lead to optical modes at telecom wavelengths and mechanical resonances in the GHz scale, resulting in highly-stable signals in the microwave domain upon photodetection}. Owing to the extreme compactness of such cavities, application in satellite communications (SATCOM) seems highly appropriate, but no experiments have been reported so far. In this paper, an optomechanical microwave oscillator (OMO) built on a micron-scale silicon optomechanical crystal cavity is characterized and tested in a real SATCOM testbed. Using a blue-detuned laser, the OMO is driven into a phonon lasing state where multiple harmonics are generated, reaching tones up to 20 GHz. Under this regime, its practical applicability, remarkably addressing its performance as a photonic local oscillator, has been validated. The results, in addition with the advantages of extreme compactness and silicon-technology compatibility, make OMOs very promising candidates to build extcolor{Red}{ultra-low} weight photonics-based microwave oscillators for SATCOM applications.

研究动机与目标

• 验证光机电微波振荡器（OMO）作为光子本地振荡器（LO）在真实SATCOM测试平台中的实际性能。
• 展示用全集成、全光学OMO解决方案替代传统电子LO和电光调制器（EOM）的可行性。
• 在系统级SATCOM环境中评估转换增益、相位噪声和FM噪声等关键性能指标。
• 评估OMO在未来的星载光子有效载荷中降低尺寸、重量和功耗（SWaP）的潜力。

提出的方法

• OMO基于微米尺度的硅光机电晶体腔，其基频机械共振为3.874 GHz，真空光机械耦合速率为540 kHz。
• 使用蓝失谐连续波（CW）激光驱动腔体，诱导声子激光，生成位于机械频率整数倍处的光学边带。
• 通过光电探测器检测输出光信号，并利用射频谱分析仪（RSA）提取微波信号分量。
• 采用完整的下变频链路，以OMO作为本地振荡器，通过在射频和中频端口进行信号混频，测量转换增益。
• 在真实SATCOM测试平台（OPTIMA测试平台）中进行测试，涵盖长期稳定性与噪声测量等实际工况。
• 在短时间和长时间窗口内测量相位噪声与FM噪声，以评估信号完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 光机电微波振荡器（OMO）能否在真实SATCOM系统中有效作为光子本地振荡器（LO）工作？
• RQ2 在真实世界测试平台中，OMO的转换增益与噪声性能与传统EOM基光子LO（PhLO）相比如何？
• RQ3 OMO固有的非线性对谐波生成及LO产物中信号分布有何影响？
• RQ4 OMO的FM噪声与相位噪声与OPTIMA等先进系统相比如何？
• RQ5 OMO在未来的卫星有效载荷中能在多大程度上实现SWaP（尺寸、重量和功耗）的降低？

主要发现

• 在配置3中，OMO实现了-32.8 dBm的第一次谐波转换增益，与传统OPTIMA PhLO系统性能相当。
• 更高阶下变频产物（如RF-4LO和RF-5LO）的增益优于OPTIMA系统（-108 dBm vs. -114 dBm），表明其具有更强的固有非线性特性。
• 在10分钟窗口内，RF输出信号的FM噪声为111.7 Hz RMS，约为未混频信号的十倍，表明存在一定的噪声累积。
• 由于光学路径未优化且对环境敏感，OMO系统的单 sideband（SSB）相位噪声高于OPTIMA测试平台，尤其在低频偏移处。
• OMO展现出内在的频率混频能力，通过谐波生成在高达20 GHz的频段产生相干微波信号。
• 尽管第一LO边带功率较低，但OMO凭借其紧凑、无源且与硅工艺兼容的设计，为未来空间应用中实现超低SWaP光子LO提供了极具前景的解决方案。