Радиотехника
RUEN
Радиотехника
RUEN
+7 (495) 625‑92‑41 info@radiotec.ru

Название статьи или книги, фамилия автора, DOI

Перестройка частоты интегрального оптоэлектронного осциллятора на основе управляемой оптической линии задержки в петле обратной связи

В.В. Иванов1, И.В. Степанов2, Г.С. Воронков3, А.В. Воронкова4, Е.П. Грахова5

научная статья УДК 681.586.5 Страницы: 158-169 doi.org/10.18127/j00338486-202412-14

  1. 1,2,3,4,5 Уфимский университет науки и технологий (г. Уфа, Россия)
Ключевые слова: Радиофотоникаинтегральная фотоникагенерация СВЧ колебанийоптоэлектронный осцилляторавтогенератор

Аннотация

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.

Поступила
07.08.2024
Одобрена
21.08.2024
Принята
25.11.2024

Для цитирования

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

Список источников
  1. 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.
  2. Zhang X. et al. Novel RF-source-free reconfigurable microwave photonic radar. Opt. Express. 2020. V. 28. № 9. P. 13650.
  3. Yao T. et al. Distributed MIMO chaotic radar based on wavelength-division multiplexing technology. Opt. Lett. 2015. V. 40. № 8. P. 1631.
  4. Zou F. et al. Optoelectronic oscillator for 5G wireless networks and beyond. J. Phys. D: Appl. Phys. 2021. V. 54. № 42. P. 423002.
  5. 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.
  6. Xue Z. et al. Photonics-assisted joint radar and communication system based on an optoelectronic oscillator. Opt. Express. 2021. V. 29. № 14. P. 22442.
  7. 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.
  8. Yao J. Optoelectronic Oscillators for High Speed and High Resolution Optical Sensing. J. Lightwave Technol. 2017. V. 35. № 16. P. 3489–3497.
  9. Zou X. et al. Optoelectronic Oscillators (OEOs) to Sensing, Measurement, and Detection. IEEE J. Quantum Electron. 2016. V. 52. № 1. P. 1–16.
  10. 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.
  11. Bogaerts W. et al. Silicon microring resonators. Laser & Photon. Rev. 2012. V. 6. № 1. P. 47–73.
  12. Grist S.M. et al. Silicon photonic micro-disk resonators for label-free biosensing. Opt. Express. 2013. V. 21. № 7. P. 7994.
  13. 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.
  14. 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.
  15. 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.
  16. Cen Q. et al. Large-scale coherent ising machine based on optoelectronic parametric oscillator. Light Sci Appl. 2022. V. 11. № 1. P. 333.
  17. 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.
  18. 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.
  19. Tanaka G. et al. Recent advances in physical reservoir computing: A review. Neural Networks. 2019. V. 115. P. 100–123.
  20. Yao X.S., Maleki L. Optoelectronic oscillator for photonic systems. IEEE J. Quantum Electron. 1996. V. 32. № 7. P. 1141–1149.
  21. 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.
  22. Hasanuzzaman G.K.M., Iezekiel S., Kanno A. W-Band Optoelectronic Oscillator. IEEE Photon. Technol. Lett. 2020. V. 32. № 13. P. 771–774.
  23. Hao T. et al. Recent advances in optoelectronic oscillators. Adv. Photon. 2020. V. 2. № 04. P. 1.
  24. Hao T. et al. Perspectives on optoelectronic oscillators. APL Photonics. 2023. V. 8. № 2. P. 020901.
  25. Tang J. et al. Integrated optoelectronic oscillator. Opt. Express. 2018. V. 26. № 9. P. 12257.
  26. Hao T. et al. Toward Monolithic Integration of OEOs: From Systems to Chips. J. Lightwave Technol. 2018. V. 36. № 19. P. 4565–4582.
  27. 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.
  28. 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.
  29. 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.
  30. 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.
  31. Weng W. et al. Microresonator Dissipative Kerr Solitons Synchronized to an Optoelectronic Oscillator. Phys. Rev. Applied. 2022. V. 17. № 2. P. 024030.
  32. Carroll L. et al. Photonic Packaging: Transforming Silicon Photonic Integrated Circuits into Photonic Devices. Applied Sciences. 2016. V. 6. № 12. P. 426.
  33. 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.
  34. 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.
  35. 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.
  36. 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.
  37. Jin W. et al. Hertz-linewidth semiconductor lasers using CMOS-ready ultra-high-Q microresonators. Nat. Photonics. 2021. V. 15. № 5. P. 346–353.
  38. Yang K.Y. et al. Bridging ultrahigh-Q devices and photonic circuits. Nature Photon. 2018. V. 12. № 5. P. 297–302.
  39. 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.
  40. Zhang M. et al. Monolithic ultra-high-Q lithium niobate microring resonator. Optica. 2017. V. 4. № 12. P. 1536.
  41. Fibre Optic Communication: Key Devices. Ed. Venghaus H., Grote N. Cham: Springer International Publishing. 2017. V. 161.
  42. Yao X.S., Maleki L. Multiloop optoelectronic oscillator. IEEE J. Quantum Electron. 2000. V. 36. № 1. P. 79–84.
  43. Poinsot S. et al. Continuous radio-frequency tuning of an optoelectronic oscillator with dispersive feedback. Opt. Lett. 2002. V. 27. № 15. P. 1300.
  44. 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.
  45. 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.
  46. 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.
  47. 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.
  48. 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).
  49. 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.
  50. 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.
  51. 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.
  52. 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.
  53. 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.
  54. 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.
  55. 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.
  56. 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.
  57. Burla M. et al. Integrated waveguide Bragg gratings for microwave photonics signal processing. Opt. Express. 2013. V. 21. № 21. P. 25120.
+7 (495) 621‑48‑37 +7 (495) 625‑92‑41 info@radiotec.ru
Доставка и оплата Для авторов Об издательстве Прайс-лист Политика обработки персональных данных
© 1937–2026 ООО Издательство «Радиотехника»