Integrated electro-optical phase-locked loop for high resolution optical synthesis

Abstract

Electrical frequency synthesizers have been in existence for several decades and are an integral part of almost every communication and sensing system. In the optical domain, however, despite promising bench-top demonstration of frequency synthesizers, large size, high-power consumption, and high-cost have significantly limited their large deployment compared to their electrical counterparts. Here we report an integrated electro-optical phase locked loop (EOPLL) as the core of an optical synthesizer where photonic and electronic devices are integrated in a standard silicon-on-insulator (SOI) process. A sophisticated integrated electronic-photonic architecture is proposed enabling reliable, low-cost, and high resolution optical synthesis. The small on-chip optical delay and electronically assisted frequency detection and acquisition provide tunable phase and frequency locking. The integrated EOPLL consumes 28.5 mW with total chip area of 2.4 mm making it comparable with electrical synthesizers enabling large-scale deployment in applications such as low-cost optical spectroscopy, detection, sensing, and optical communication.

Low-Power Regulated Cascode CMOS Transimpedance Amplifier with Local Feedback Circuit

“…The TIA is one of the most important components of optical receivers. Figure 1 shows the conceptual block diagram of an integrated optical heterodyne receiver [9]. For optical heterodyne receiver systems, we are confronted with a new problem of extending the bandwidth of the TIA, as well as the photodiode (PD) to maximize the range of synthesizable frequencies.…”

Διανομή Συχνοτήτων Αναφοράς Μέσω Εγκατεστημένων Δικτύων Οπτικών Ινών

“…Πολλές εφαρμογές χρησιμοποιούν οπτικές συχνοτικές κτένες ως οπτικά και ηλεκτρικά συχνοτικά πρότυπα. Οι κτένες έχουν προταθεί για τη φωτονική γέννηση χιλιοστομετρικών συχνοτήτων με μια πληθώρα τεχνικών, όπως επιλογή δύο συχνοτικών γραμμών και ανάδειξη της συχνοτικής διαφοράς τους σε μια φωτοδίοδο [173] ή ετερόδυνος οπτικός βρόχος εγκλείδωσης φάσης πάνω σε μια από τις γραμμές αυτές και ανάδειξη της ρυθμιζόμενης από το ετερόδυνο διαφοράς, ώστε να είναι δυνατός ο μικρομετρικός συντονισμός της χιλιοστομετρικής συχνότητας που θα παραχθεί [174], [175]. Αν επιλεγούν δύο οπτικοί τόνοι από το πλήθος που περιέχει η οπτική κτένα, με συχνοτική απόσταση που εμπίπτει στη χιλιοστομετρική περιοχή, μπορούν να παίξουν το ρόλο των δύο πλευρικών της διαμόρφωσης DSB-SC και να μεταφέρουν τη χιλιοστομετρική συχνοτική αναφορά με πολλαπλάσια ευστάθεια.…”

“…Σε αυτές τις υλοποιήσεις, ο φασικός θόρυβος της αναφοράς πολλαπλασιάζεται με τον λόγο της τελικής χιλιοστομετρικής συχνότητας προς τη συχνότητα αναφοράς. Τελευταίας τεχνολογίας ολοκληρωμένες υλοποιήσεις [174], [175] υιοθετούν ετερόδυνο οπτικό ταλαντωτή κλειδωμένο κατά φάση στη διαφορά της επιθυμητής συχνότητας εξόδου από κάποιο πολλαπλάσιο της συχνότητας επανάληψης παλμών μιας οπτικής κτένας, η οποία χρησιμεύει ως αναφορά. Η διαφορά αυτή παράγεται από μικροκυματική γεννήτρια η οποία λειτουργεί ελεύθερα, χωρίς να είναι κλειδωμένη πάνω στην κύρια αναφορά της οπτικής κτένας, ούτως ώστε να επιτυγχάνεται η επιθυμητή ευελιξία στην γένεση διαφορετικών συχνοτήτων με μικρό βήμα.…”

“…Προφανώς, το βήμα σύνθεσης ή αλλιώς η ανάλυση -διακριτική ικανότητα του συνθέτη, εξαρτάται από τις μέγιστες τιμές των συντελεστών M, K, οι οποίες μπορούν να υποστηριχθούν σε σχετικά ηλεκτρονικά κυκλώματα κλασματικής διαίρεσης συχνοτήτων. Το ελάχιστο βήμα που επιτυγχάνεται με τέτοια ολοκληρωμένα κυκλώματα, όπως είναι το AD9914 DDS της Analog Devices, είναι της τάξης υπό-nHz, έως και 190 pHz, σε λειτουργία προγραμματιζόμενου διαιρέτη (programmable modulus mode) και συχνότητα εισόδου 3,5 GHz.Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο προτεινόμενος συνθέτης δε χρειάζεται κάποια ηλεκτρική γεννήτρια με υψηλή σταθερότητα, ακρίβεια και πολύ καλή ανάλυση, όπως στην περίπτωση των οπτικών βρόχων κλειδωμένης φάσης (OPLLs)[174],[175], καθώς χρησιμοποιεί σαν αναφορά τη συχνοτική απόσταση της οπτικής κτένας εισόδου σε όλες τις περιπτώσεις που απαιτείται σύνθεση, έστω και ενδιάμεσων συχνοτήτων, όπως είναι η f LOW . Το χαρακτηριστικό αυτό διευκολύνει την υλοποίηση του συνθέτη σε οπτικό ολοκληρωμένο κύκλωμα (PIC).Θα πρέπει επίσης να τονιστεί ότι η περιοχή σύνθεσης δεν μπορεί να είναι συνεχής κοντά σε συχνότητες πολλαπλάσιες της f HIGH , καθώς οι υψηλής ισχύος οπτικοί τόνοι της κτένας δημιουργούν ισχυρά ηλεκτρικά παράγωγα που είναι πολύ δύσκολο να διαχωριστούν από τις πλησιέστερες επιθυμητές συχνότητες.…”