OFFeDi - Optoelektronischer Frequenzsynthesizer mit Femtosekunden-Diodenlaser
?berblick
Jitterarme Signalquellen werden h?ufig für Objekterkennung, Navigations- und Ultra-Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationssysteme eingesetzt. Der Jitter der Signalquellen wird von der Referenzsignalquelle dominiert, die ein Oszillator mit Surface-Acoustic-Wave-Resonator (SAW-Resonator) oder mit Quarzresonator ist. Diese rauscharmen Referenzoszillatoren sind derzeit Stand der Technik für Kommunikationssysteme. Jedoch k?nnen mit einem Mode Locked Laser (MLL) erzeugte optische Impulsfolgen einen um 2-3 Gr??enordnungen kleineren Jitter erreichen. Es wurde auch gezeigt [4], dass durch die Verwendung eines optoelektronischen Phasendetektors und einer Phasenregelschleife ein Mikrowellenoszillator an einen MLL gekoppelt werden kann. Solche opto-elektronischen Phasenregelkreise (OEPLL) haben ein gro?es Potenzial für eine neue Klasse von Frequenzsynthesizern mit extrem niedrigem Jitter.
Phasenrauschvergleich verschiedener Technologien
Die gr??ten Nachteile dieser OEPLLs sind ihre gro?en und teuren optischen Komponenten. Elektronisch-photonisch integrierte Schaltungen auf Basis der Silizium-Photonik-Technologie bieten das Potenzial für eine extreme Miniaturisierung dieser optischen Komponenten sowie die Integration von Optik und Elektronik und beides bei geringen Kosten.
Ziel dieses Projekts ist die Implementierung eines monolithisch-integrierten OEPLL mit einem extrem niedrigen Phasenrauschen. In Zusammenarbeit mit unseren Projektpartnern an der Ruhr-Universit?t Bochum entwickeln wir die n?chste Generation von jitterarmen Mikrowellensignalquellen. Diese Art von Signalquelle verwendet eine PLL, die die optische Pulsfolge eines MLLs als Referenz verwendet. Um die Vorteile des Referenzsignals im optischen Bereich voll auszusch?pfen, erfolgt die Phasendetektion elektrooptisch mit einem Mach-Zehnder-Modulator (MZM).
Blockdiagramm des optoelektronischen Frequenzsynthesizers
In der ersten Phase wird das Gesamtsystem mit modularen Komponenten realisiert. In der zweiten Phase werden der MZM und die Elektronik in einem einzigen Siliziumchip integriert. Die Arbeit wird von theoretischen Untersuchungen begleitet, die durch Messungen validiert werden.
Ziel des Projekts ist, dass der additive Jitter des OEPLL kleiner als der Referenz-MLL-Jitter ist. Das Mikrowellensignal h?tte damit einen In-Band Jitter, der herk?mmliche elektronische PLLs bei Weitem übertrifft.
References:
[1] Kim et al, “Sub-100-as timing jitter optical pulse trains from mode-locked Er-fiber lasers,” Optics letters, vol. 36, no. 22, pp. 4443-4445, 2011.
[2] “Ultra Low Phase Noise Oven Controlled Crystal Oscillator,” Vectron, Datasheet OX-305.
[3] “Voltage Controlled SAW Oscillator Surface Mount Model,” Synergy Microwave, Datasheet HFSO1000-5.
[4] Jung et al, “Subfemtosecond synchronization of microwave oscillators with mode-locked Er-fiber lasers,” Optics letters, vol. 37, no. 14, pp. 2958-2960, 2012
Die wesentliche Zielsetzung des Projektantrags ist die Untersuchung von Konzepten für extrem phasenrauscharme, opto-elektronische Phasenregelkreise, bei denen das Ausgangssignal über einen weiten Frequenzbereich (mehr als eine Oktave) kontinuierlich verstimmbar ist, und die mit kompakten Femtosekunden-Diodenlasern als Referenzoszillatoren arbeiten. Weitere Zielsetzungen sind, opto-elektronische Phasendetektor-Prinzipien unter Verwendung von verfügbaren Komponenten aus der Kommunikationstechnik zu untersuchen und den opto-elektronischen Frequenzsynthesizer mit diesen Phasendetektorprinzipien und mit Siliziumphotonik-Technologie weitaus kompakter und kosteneffizienter als bisher zu realisieren. Darüber hinaus soll erstmals ein mathematisches Modell von opto-elektronischen Integer-N und Fractional-N-Phasenregelkreisen mit Femtosekundenlasern erstellt werden, das es erlaubt, dynamisches und statisches Regelverhalten, Phasenrauschen, Stabilit?t und Erzeugung von St?rfrequenzen ("spurios frequencies") zu berechnen.
DFG-Verfahren Sachbeihilfen
Antragsteller Professor Dr. Martin Hofmann; Professor Dr.-Ing. Christoph Scheytt
Key Facts
- Grant Number:
- 370491995
- Laufzeit:
- 06/2017 - 05/2021
- Gef?rdert durch:
- DFG
Detailinformationen
Kontakt
Wenn 360直播吧 Fragen zu diesem Projekt haben, kontaktieren 360直播吧 uns!
Meysam Bahmanian
Schaltungstechnik (SCT) / Heinz Nixdorf Institut
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Ergebnisse
Das Projekt zielte auf die Untersuchung und Realisierung rauscharmer optoelektronischer PLL-Frequenzsynthesizer (OEPLL) mit modengekoppelten Diodenlasern als Referenzoszillatoren. Im Rahmen des Projektes wurden verschiedene Ans?tze für modengekoppelte Laserdiodensysteme in Bezug auf ihre Jittereigenschaften untersucht. Dabei wurde erstmals ein selbst-modengekoppelter Diodenlaser mit externem Resonator demonstriert und analysiert sowie erstmals ein Vergleich von Selbst-Modenkopplung zu passiver Modenkopplung durchgeführt. Alle untersuchten Diodenlaser lieferten jedoch Jitterwerte, die für die hier anvisierte Anwendung als optischer Referenzoszillator deutlich zu hoch sind. Des Weiteren wurde die OEPLL mathematisch und experimentell untersucht und gezeigt, dass mit rauscharmen modengekoppelten Faserlasern optoelektronische Frequenzsynthesizer auf OEPLL-Basis mit mehreren Oktaven Verstimmbereich und exzellentem Phasenrauschen realisiert werden k?nnen. Insbesondere wurden Rekordwerte im Hinblick auf den Verstimmbereich erreicht und gezeigt, dass das Phasenrauschen der OEPLL bei vergleichbarem Verstimmbereich deutlich geringer als das der besten rein elektronischen Frequenzsynthesizern ist. Octave-Band Microwave Frequency Synthesizer Using Mode-Locked Laser as a Reference. In: 2019 International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP), S. 1-4, Ottawa, ON, Canada, Canada, 7. - 10. Okt. 2019 Bahmanian, Meysam; Tiedau, Johannes; Silberhorn, Christine; Scheytt, Christoph (360直播吧he online unter https://doi.org/10.1109/mwp.2019.8892046) Theory of an Optoelectronic Microwave Phase-locked Loop based on a MLL reference and MZM-based Optoelectronic Phase Detection. In: Modellierung photonischer Komponenten und Systeme, Meiningen, Deutschland, Jan. 2019 Bahmanian, Meysam; Scheytt, Christoph Amplitude noise and RF response analysis of 1 GHz mode-locked pulses from an InP- based laser chip at 1550 nm. 2020 IEEE Photonics Conference (IPC), Vancouver, BC, Canada, IEEE M. A. Alloush, M. van Delden, A. Bassal, C. Brenner, T. Musch, M. C. Lo, L. Augustin, R. Guzmán, G. Carpintero, M. R. Hofmann (360直播吧he online unter https://doi.org/10.1109/ipc47351.2020.9252313) Comparison of self-mode-locking in monolithic and external cavity diode laser at 1550 nm. Proceedings SPIE Photonics West Volume 11301, Novel In-Plane Semiconductor Lasers XIX; 113011T (2020) M. A. Alloush, A. Bassal, C. Brenner, C. Fortin, K. Mekhazni, K. Mekhazni, C. Calò, M.R. Hofmann (360直播吧he online unter https://doi.org/10.1117/12.2545780) Femtosecond RMS timing jitter from 1 GHz InP on-chip mode-locked laser at 1550 nm. Conference on Lasers and Electro-Optics / Pacific Rim 2020, Sydney Australia, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2020), paper C4C_2 M. A. Alloush, A. Bassal, C. Brenner, M. C. Lo, R. Guzmán, L. Augustin, G. Carpintero, M. R. Hofmann (360直播吧he online unter https://doi.org/10.1364/cleopr.2020.c4c_2) Self-mode-locking and chirp compensation in an external cavity diode laser at 1550 nm. Proceedings SPIE Photonics Europe Volume 11356, Semiconductor Lasers and Laser Dynamics IX; 113560H (2020) M. A. Alloush, A. Bassal, C. Brenner, C. Fortin, K. Mekhazni, P. Gamarra, C. Calò, M.R. Hofmann (360直播吧he online unter https://doi.org/10.1117/12.2555946) Ultra-Low Phase Noise Frequency Synthesis for THz Communications Using Optoelectronic PLLs. In: International 360直播吧 on mobile THZ Systems (IWMTS), 2. - 3. Jul. 2020 IWMTS cheytt, Christoph; Wrana, Dominik; Bahmanian, Meysam; Kallfass, Ingmar (360直播吧he online unter https://doi.org/10.1109/iwmts49292.2020.9166347) Wide- Band Frequency Synthesizer with Ultra-Low Phase Noise Using an Optical Clock Source. In: 2020 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium (IMS), Los Angeles, CA, USA, USA, 4. - 6. Aug. 2020, IEEE Bahmanian, Meysam; Fard, Saeed; Koppelmann, Bastian; Scheytt, Christoph (360直播吧he online unter https://doi.org/10.1109/ims30576.2020.9224118) A 2-20-GHz Ultralow Phase Noise Signal Source Using a Microwave Oscillator Locked to a Mode-Locked Laser. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 69(3): S. 1635-1645, Mrz. 2021 Bahmanian, Meysam; Scheytt, Christoph (360直播吧he online unter https://doi.org/10.1109/tmtt.2020.3047647) Femtosecond pulse generation from external cavity diode laser based on self-mode-locking. Optics Letters - Vol. 46, Issue 2, pp. 344-347 (2021) Mohammad Ali Alloush, Carsten Brenner, Cosimo Calo, Martin R. Hofmann (360直播吧he online unter https://doi.org/10.1364/ol.415336) Passive- and self-mode-locking based ultrashort pulse generation in monolithic diode laser at 1550 nm. SPIE Photonics West Digital Forum, 06.-11.03. 2021 M.A. Alloush, N. Kleemann, L. Braun , C. Brenner, M. Zander, W. Rehbein, M. Moehrle, M. R. Hofmann (360直播吧he online unter https://doi.org/10.1117/12.2583134) RF Analysis of a Sub-GHz InP-Based 1550 nm Monolithic Mode-Locked Laser Chip. IEEE Photon. Technol. Lett. 33, 828 (2021) M. A. Alloush, M. van Delden, A. Bassal, N. Kleemann, C. Brenner, M.-C. Lo, L. Augustin, R. Guzman, T. Musch, G. Carpintero, and M. R. Hofmann (360直播吧he online unter https://doi.org/10.1109/lpt.2021.3083096)Projektbezogene Publikationen (Auswahl)