"Этот новый чип микроволнового фильтра обладает потенциалом для улучшения беспроводной связи, такой как 6G, что приводит к более быстрым подключениям к Интернету, улучшению общего качества связи и снижению затрат и энергопотребления в системах беспроводной связи", - сказал исследователь Синцзюнь Ван из Пекинского университета. "Эти достижения прямо или косвенно повлияют на повседневную жизнь, улучшив общее качество жизни и предоставив новые возможности в различных областях, таких как мобильность, умные дома и общественные пространства".

В Исследования в области фотоники в журнале, совместно издаваемом Chinese Laser Press и Optica Publishing Group, исследователи описывают, как их новый фотонный фильтр преодолевает ограничения традиционных электронных устройств для достижения множества функциональных возможностей на устройстве размером с чип и низким энергопотреблением. Они также демонстрируют способность фильтра работать в широком спектре радиочастот, простирающемся более чем на 30 ГГц, демонстрируя его пригодность для предполагаемой технологии 6G.

"Поскольку пропускная способность оптико-электронных устройств продолжает неудержимо увеличиваться, мы считаем, что встроенный фильтр микроволновой фотоники, безусловно, станет одним из важных решений для будущей беспроводной связи 6G", - сказал Ван. "Только хорошо спроектированный интегрированный канал микроволновой фотоники может обеспечить низкую стоимость, низкое энергопотребление и превосходную производительность фильтрации".

Прекращение помех

Технология 6G разрабатывается для улучшения существующих в настоящее время сетей связи 5G. Ожидается, что для передачи большего количества данных с более высокой скоростью сети 6G будут использовать миллиметровые волны и даже терагерцовые диапазоны частот. Поскольку это позволит распределять сигналы по чрезвычайно широкому частотному спектру с повышенной скоростью передачи данных, существует высокая вероятность возникновения помех между различными каналами связи.

Чтобы решить эту проблему, исследователи стремились разработать фильтр, который мог бы защитить приемники сигналов от различных типов помех во всем спектре радиочастот. Чтобы этот фильтр был экономичным и практичным для широкого внедрения, важно, чтобы он был небольшим, потреблял мало энергии, выполнял множество функций фильтрации и мог быть интегрирован в микросхему. Однако предыдущие демонстрации были ограничены их небольшим количеством функций, большими размерами, ограниченной полосой пропускания или требованиями, связанными с электрическими компонентами.

Для нового фильтра исследователи создали упрощенную фотонную архитектуру, состоящую из четырех основных частей. Во-первых, фазовый модулятор служит входом радиочастотного сигнала, который модулирует электрический сигнал в оптическую область. Затем двойное кольцо действует как переключатель для формирования формата модуляции. Основным блоком обработки сигнала является регулируемый микроконтроллер. Наконец, фотоприемник служит в качестве выходного сигнала радиочастоты и извлекает радиочастотный сигнал из оптического сигнала.

"Самое большое новшество здесь - это преодоление барьеров между устройствами и достижение взаимного сотрудничества между ними", - сказал Ван. "Совместная работа double-ring и microring позволяет реализовать согласованную по интенсивности одноступенчатую архитектуру с регулируемым каскадом microring (ICSSA-CM). Благодаря высокой реконфигурируемости предлагаемого ICSSA-CM, для построения различных функций фильтрации не требуется дополнительного радиочастотного устройства, что упрощает состав всей системы."

Демонстрация производительности

Чтобы протестировать устройство, исследователи использовали высокочастотные зонды для загрузки радиочастотного сигнала в чип и собирали восстановленный сигнал с помощью высокоскоростного фотоприемника. Они использовали генератор сигналов произвольной формы и направленные антенны для имитации генерации сигналов высокоскоростной беспроводной передачи со скоростью 2 Гбит/с и высокоскоростной осциллограф для приема обработанного сигнала. Сравнивая результаты с использованием фильтра и без него, исследователи смогли продемонстрировать эффективность фильтра.

В целом, результаты показывают, что упрощенная фотонная архитектура обеспечивает сопоставимую производительность при меньших потерях и сложности системы по сравнению с предыдущими программируемыми интегрированными микроволновыми фотонными фильтрами, состоящими из сотен повторяющихся блоков. Это делает его более надежным, энергоэффективным и простым в изготовлении по сравнению с предыдущими устройствами.

Исследователи планируют дальнейшую оптимизацию модулятора и улучшение общей архитектуры фильтра для достижения высокого динамического диапазона и низкого уровня шума, обеспечивая при этом высокую интеграцию как на уровне устройства, так и на уровне системы.