В.В. Иванов1, И.В. Степанов2, Г.С. Воронков3, А.В. Воронкова4, Е.П. Грахова5
1–5 Уфимский университет науки и технологий (г. Уфа, Россия)
1 ivanov.vv@ugatu.su; 2 stepanov.iv@ugatu.su; 3 voronkov.gs@ugatu.su; 4 voronkova.av@ugatu.su; 5 grakhova.ep@ugatu.su
Постановка проблемы. Оптоэлектронный осциллятор (ОЭО) представляет собой простую и экономичную электрооптическую систему для генерации сверхвысокочастотных сигналов, которая обладает сверхнизким уровнем фазовых шумов и высокой частотой генерируемых колебаний, и достаточно часто превосходит по этим параметрам электрические аналоги. Для улучшения массогабаритных параметров были разработаны оптоэлектронные осцилляторы на основе технологий интегральной фотоники. К основным недостаткам генераторов частоты на основе ОЭО относятся долговременная нестабильность частоты, вызванная высокой чувствительностью к параметрам окружающей среды (в первую очередь, к температуре) и большой шаг перестройки частоты (порядка десятков килогерц). Несмотря на то, что проблема термостабилизации фотонных интегральных схем достаточно проработана, стабилизация выходной частоты и управление ею в интегральных ОЭО остается на сегодняшний день актуальной задачей.
Цель. Представить интегральный ОЭО, дополненный оптической линией задержки, а также оценить ее влияние на частоту генерируемых колебаний и потенциальный диапазон стабилизации температуры.
Результаты. Разработана математическая модель ОЭО с перестраиваемой линией задержки в петле обратной связи. Проведен аналитический расчет частоты генерируемых колебаний (шаг перестройки частоты составил 50 МГц/пс). Предложенная модель ОЭО проверена посредством численного моделирования в программной среде Ansys Lumerical Interconnect, в результате которого получен диапазон изменения генерируемой частоты 4,28 ГГц с шагом перестройки от 30 до 60 МГц/пс.
Практическая значимость. Предложенный тип управления дает дополнительную степень свободы перестройки частоты в рамках собственных частот ОЭО, ограниченных амплитудно-частотной характеристикой режекторного фильтра.
Иванов В.В., Степанов И.В., Воронков Г.С., Воронкова А.В., Грахова Е.П. Перестройка частоты интегрального оптоэлектронного осциллятора на основе управляемой оптической линии задержки в петле обратной связи // Радиотехника. 2024. Т. 88.
№ 12. С. 158−169. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202412-14
- Zhang X. et al. Reconfigurable multi-band microwave photonic radar transmitter with a wide operating frequency range. Opt. Express. 2019. V. 27. № 24. P. 34519.
- Zhang X. et al. Novel RF-source-free reconfigurable microwave photonic radar. Opt. Express. 2020. V. 28. № 9. P. 13650.
- Yao T. et al. Distributed MIMO chaotic radar based on wavelength-division multiplexing technology. Opt. Lett. 2015. V. 40. № 8. P. 1631.
- Zou F. et al. Optoelectronic oscillator for 5G wireless networks and beyond. J. Phys. D: Appl. Phys. 2021. V. 54. № 42. P. 423002.
- Huang L. et al. Microwave photonic RF front-end for co-frequency co-time full duplex 5G communication with integrated RF signal self-interference cancellation, optoelectronic oscillator and frequency down-conversion. Opt. Express. 2019. V. 27. № 22. P. 32147.
- Xue Z. et al. Photonics-assisted joint radar and communication system based on an optoelectronic oscillator. Opt. Express. 2021. V. 29. № 14. P. 22442.
- Xue Z. et al. OFDM Radar and Communication Joint System Using Opto-Electronic Oscillator with Phase Noise Degradation Analysis and Mitigation. J. Lightwave Technol. 2022. V. 40. № 13. P. 4101–4109.
- Yao J. Optoelectronic Oscillators for High Speed and High Resolution Optical Sensing. J. Lightwave Technol. 2017. V. 35. № 16. P. 3489–3497.
- Zou X. et al. Optoelectronic Oscillators (OEOs) to Sensing, Measurement, and Detection. IEEE J. Quantum Electron. 2016. V. 52. № 1. P. 1–16.
- Yang D. et al. Integrated optic-fiber sensor based on enclosed EFPI and structural phase-shift for discriminating measurement of temperature, pressure and RI. Optics & Laser Technology. 2020. V. 126. P. 106112.
- Bogaerts W. et al. Silicon microring resonators. Laser & Photon. Rev. 2012. V. 6. № 1. P. 47–73.
- Grist S.M. et al. Silicon photonic micro-disk resonators for label-free biosensing. Opt. Express. 2013. V. 21. № 7. P. 7994.
- Voronkov G.S. et al. Enhancing the Performance of the Photonic Integrated Sensing System by Applying Frequency Interrogation. Nanomaterials. 2023. V. 13. № 1. P. 193.
- Wang L. et al. Microwave Photonic Temperature Sensing Based on Fourier Domain Mode-Locked OEO and Temperature-to-Time Mapping. J. Lightwave Technol. 2022. V. 40. № 15. P. 5322–5327.
- Zhang J. et al. High-sensitivity measurement of angular velocity based on an optoelectronic oscillator with an intra-loop Sagnac interferometer. Opt. Lett. 2018. V. 43, № 12. P. 2799.
- Cen Q. et al. Large-scale coherent ising machine based on optoelectronic parametric oscillator. Light Sci Appl. 2022. V. 11. № 1. P. 333.
- Böhm F., Verschaffelt G., Van Der Sande G. A poor man’s coherent Ising machine based on opto-electronic feedback systems for solving optimization problems. Nat Commun. 2019. V. 10. № 1. P. 3538.
- Chembo Y.K. Machine learning based on reservoir computing with time-delayed optoelectronic and photonic systems. Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 2020. V. 30. № 1. P. 013111.
- Tanaka G. et al. Recent advances in physical reservoir computing: A review. Neural Networks. 2019. V. 115. P. 100–123.
- Yao X.S., Maleki L. Optoelectronic oscillator for photonic systems. IEEE J. Quantum Electron. 1996. V. 32. № 7. P. 1141–1149.
- Eliyahu D., Seidel D., Maleki L. Phase noise of a high performance OEO and an ultra low noise floor cross-correlation microwave photonic homodyne system. 2008 IEEE International Frequency Control Symposium. Honolulu. HI: IEEE. 2008. P. 811–814.
- Hasanuzzaman G.K.M., Iezekiel S., Kanno A. W-Band Optoelectronic Oscillator. IEEE Photon. Technol. Lett. 2020. V. 32. № 13. P. 771–774.
- Hao T. et al. Recent advances in optoelectronic oscillators. Adv. Photon. 2020. V. 2. № 04. P. 1.
- Hao T. et al. Perspectives on optoelectronic oscillators. APL Photonics. 2023. V. 8. № 2. P. 020901.
- Tang J. et al. Integrated optoelectronic oscillator. Opt. Express. 2018. V. 26. № 9. P. 12257.
- Hao T. et al. Toward Monolithic Integration of OEOs: From Systems to Chips. J. Lightwave Technol. 2018. V. 36. № 19. P. 4565–4582.
- Nielsen L., Heck M.J.R. A Computationally Efficient Integrated Coupled Opto-Electronic Oscillator Model. J. Lightwave Technol. 2020. V. 38, № 19. P. 5430–5439.
- Han J.-Y. et al. Wideband frequency-tunable optoelectronic oscillator with a directly modulated AlGaInAs/InP integrated twin-square microlaser. Opt. Express. 2018. V. 26. № 24. P. 31784.
- Do P.T. et al. Wideband tunable microwave signal generation in a silicon-micro-ring-based optoelectronic oscillator. Sci Rep. 2020. V. 10. № 1. P. 6982.
- Wani M., Azeemuddin S. Optoelectronic Oscillator (OEO) designs: Wide-range tunable Silicon Microring resonator design and Low-noise High frequency Optical Mix Oscillator design. OSA Advanced Photonics Congress 2021. Washington. DC: Optica Publishing Group, 2021. P. JTu1A.8.
- Weng W. et al. Microresonator Dissipative Kerr Solitons Synchronized to an Optoelectronic Oscillator. Phys. Rev. Applied. 2022. V. 17. № 2. P. 024030.
- Carroll L. et al. Photonic Packaging: Transforming Silicon Photonic Integrated Circuits into Photonic Devices. Applied Sciences. 2016. V. 6. № 12. P. 426.
- Milanizadeh M. et al. Control and Calibration Recipes for Photonic Integrated Circuits. IEEE J. Select. Topics Quantum Electron. 2020. V. 26. № 5. P. 1–10.
- Ptasinski J., Khoo I.-C., Fainman Y. Passive Temperature Stabilization of Silicon Photonic Devices Using Liquid Crystals. Materials. 2014. V. 7. № 3. P. 2229–2241.
- O. De Aguiar D. et al. Automated tuning, control and stabilization of photonic integrated circuits / Eds. Cheben P., Čtyroký J., Molina-Fernández I. Prague. Czech Republic. 2017. P. 1024208.
- Zhang W., Yao J. Silicon Photonic Integrated Optoelectronic Oscillator for Frequency-Tunable Microwave Generation. Journal of Lightwave Technology. 2018. V. 36. № 19. P. 4655–4663.
- Jin W. et al. Hertz-linewidth semiconductor lasers using CMOS-ready ultra-high-Q microresonators. Nat. Photonics. 2021. V. 15. № 5. P. 346–353.
- Yang K.Y. et al. Bridging ultrahigh-Q devices and photonic circuits. Nature Photon. 2018. V. 12. № 5. P. 297–302.
- Zhang Y. et al. Broadband high-Q multimode silicon concentric racetrack resonators for widely tunable Raman lasers. Nat Commun. 2022. V. 13. № 1. P. 3534.
- Zhang M. et al. Monolithic ultra-high-Q lithium niobate microring resonator. Optica. 2017. V. 4. № 12. P. 1536.
- Fibre Optic Communication: Key Devices. Ed. Venghaus H., Grote N. Cham: Springer International Publishing. 2017. V. 161.
- Yao X.S., Maleki L. Multiloop optoelectronic oscillator. IEEE J. Quantum Electron. 2000. V. 36. № 1. P. 79–84.
- Poinsot S. et al. Continuous radio-frequency tuning of an optoelectronic oscillator with dispersive feedback. Opt. Lett. 2002. V. 27. № 15. P. 1300.
- Bluestone A. et al. An Ultra-Low Phase-Noise 20-GHz PLL Utilizing an Optoelectronic Voltage-Controlled Oscillator. IEEE Trans. Microwave Theory Techn. 2015. V. 63. № 3. P. 1046–1052.
- Melati D. et al. Wideband Integrated Optical Delay Line Based on a Continuously Tunable Mach–Zehnder Interferometer. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2018. V. 24. № 1. P. 1–8.
- Fedderwitz S. et al. Optoelectronic K-Band Oscillator with Gigahertz Tuning Range and Low Phase Noise. IEEE Photon. Technol. Lett. 2010. V. 22. № 20. P. 1497–1499.
- Voronkov G. et al. Design and Modeling of a Fully Integrated Microring-Based Photonic Sensing System for Liquid Refractometry. Sensors. 2022. V. 22. № 23. P. 9553.
- Ivanov V.V. i dr. Integral'nyj optojelektronnyj oscilljator v prilozhenijah svjazi i sensornyh sistem. Opticheskij zhurnal. Т. 90. № 12. S. 3–13 (in Russian).
- Chew S.X. et al. Optoelectronic Oscillator Based Sensor Using an On-Chip Sensing Probe. IEEE Photonics J. 2017. V. 9. № 2. P. 1–9.
- Feng D. et al. Enhancing sensitivity of trace copper detection based on coupled optoelectronic oscillator. Sensors and Actuators A: Physical. 2024. V. 370. P. 115231.
- Ahmadfard F., Hosseini S.E. Design and simulation of a tunable parity-time symmetric optoelectronic oscillator utilizing integrated components. Sci. Rep. 2024. V. 14. № 1. P. 16014.
- Peng H. et al. High sensitivity microwave phase noise analyzer based on a phase locked optoelectronic oscillator. Opt. Express. 2019. V. 27. № 13. P. 18910.
- Jiang C., Chen F., Yi Xi K. A novel tunable optoelectronic oscillator based on a photonic RF phase shifter. Optoelectron. Lett. 2013. V. 9. № 6. P. 446–448.
- Stepanov I.V. et al. Photonic integrated circuit model for phased antenna array beam steering. Optical Technologies for Telecommunications 2022. Еds. Bourdine A.V., Morozov O.G., Sultanov A.H. Ufa. Russian Federation: SPIE. 2023. P. 34.
- Melati D. et al. Wideband Integrated Optical Delay Line Based on a Continuously Tunable Mach–Zehnder Interferometer. IEEE J. Select. Topics Quantum Electron. 2018. V. 24. № 1. P. 1–8.
- Stepanov I.V. et al. Design of a Photonic Integrated Device with an on-Chip k-Clock and Tunable Reference Arm for Swept-Source Optical Coherence Tomography. J-BPE. 2023. P. 030317.
- Burla M. et al. Integrated waveguide Bragg gratings for microwave photonics signal processing. Opt. Express. 2013. V. 21. № 21. P. 25120.