Решение будущих проблем 6G: интегрированный микроволновой фотонный фильтр
Один из основных эпитетов, к которому можно описать современный мир, это мобильность. Устройства, ранее привязанные проводами к источнику питания или к другим устройствам, за годы технологического прогресса не только убавили в габаритах и прибавили в производительности, но и стали беспроводными. С одной стороны, такая модернизация крайне полезна и удобна, но есть и определенные сложности, которые эта самая беспроводность порождает. Самой выраженной из них является перегруженность среды сигналами. То великое множество устройств, которые передают сигналы, напоминают толпу, где каждый говорит о чем-то своем. Услышать конкретного человека в такой шумной атмосфере будет крайне проблематично. Однако ученые из Пекинского университета (Китай) нашли решение в виде фотонного фильтра, который способен выделять определенные сигналы, отсеивая шумы и подавляя нежелательные помехи во всем радиочастотном спектре. Из чего состоит данное устройство, каков принцип его работы, и как оно может повлиять на коммуникации будущего? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Микроволновые фильтры являются основными устройствами обработки сигналов, используемыми для отделения представляющих интерес сигналов от фонового шума или для подавления нежелательных помех, и играют важную роль во входных каскадах радиочастот (RF от radio frequency). Невероятный скачок в развитии и распространении беспроводных технологий, увеличение плотности сигнала и расширение полосы пропускания до более высоких частот в совокупности привели к формированию весьма сложной электромагнитной среде, наполненной разного рода помехами. По этой причине микроволновые фильтры должны совершенствоваться, чтобы успешно эти помехи подавлять. Помимо улучшения их основного функционала, необходимо также помнить о стоимости производства и габаритах — параметрах, которые на данный момент пока еще не доведены до идеала.
Интегрированные микроволновые фотонные фильтры (IMPF от integrated microwave photonic filter), широко известные своими характеристиками сверхширокой перестройки частоты, способны расширить рабочий диапазон до миллиметрового и терагерцового диапазонов. Благодаря сложной конструкции и сочетанию фотонных устройств универсальные критические функции могут быть мультиплексированы в отдельной системе. Кроме того, разработки в области фотонной интеграции могут помочь решить проблемы. Связанные с габаритами, надежностью и стоимостью устройств. Однако большинство разработок способно нивелировать лишь конкретную проблему, т. е. лишено универсальности.
Одним из методов достижения этой заветной универсальности являются программируемые фотонные процессоры, которые могут быть либо в виде фотонной сетки, либо в виде линии задержки с ответвлениями* (TDL от tapped delay line). Оба варианта считаются реконфигурируемыми.
Линия задержки с ответвлениями (TDL)* — это линия задержки, по крайней мере, с одним «отводом» (tap), который извлекает выходной сигнал где-то внутри линии задержки, опционально масштабирует его и обычно суммирует с другими отводами для формирования выходного сигнала.
Однако в обоих случаях обычно требуются крупномасштабные массивы с повторяющимися элементами для достижения значимых характеристик, что приводит к значительным оптическим потерям и сложному сопряженному управлению. Кроме того, некоторые фотонные функциональные компоненты, используемые в этих системах, такие как линии с длительным временем задержки и большие дисперсионные элементы в компактной и интегрированной форме, все еще не реализованы полноценно. Все вышеперечисленные проблемы накладывают ограничения на некоторые ключевые характеристики IMPF с точки зрения спектрального разрешения и диапазона настройки.
С другой стороны, некоторые так называемые специализированные схемы IMPF, использующие сложный формат модуляции и ультратонкий оптический фильтр (высокодобротные микрокольцевые резонаторы (MRR от microring resonator) или стимулированное бриллюэновское рассеяние), недостаточно реконфигурируемы.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают широкополосный и легко реконфигурируемый IMPF на основе SOI платформы (SOI от silicon-on-insulator, т. е. кремний-на-изоляторе). IMPF демонстрирует беспрецедентные характеристики, в том числе высокое спектральное разрешение (220 МГц), широкий диапазон настройки (до 30 ГГц) и высокое значение коэффициента подавления (около 60 дБ для BSF).
Архитектура и принцип работы IMPF
Изображение №1
На 1a показана архитектура исследуемого IMPF, основными компонентами которой являются PM (от phase modulator, т. е. фазовый модулятор), ICSSA-CM (от intensity-consistent single-stage-adjustable cascadedmicroring, т. е. одноступенчатое каскадное микрокольцо с постоянной интенсивностью) и быстродействующий фотоприемник (PD от photodetector). PM обеспечивает широкополосное электрооптическое преобразование и генерирует двойные боковые полосы с разницей π-фаз. Существенным преимуществом PM является то, что для управления стабилизацией смещения не требуется дополнительных микронагревателей и контуров обратной связи. ICSSA-CM состоит из двойного кольца (DR от dual-ring) с широкой полосой отклика и высокодобротного* MRR с регулируемой соединительной секцией.
Добротность (Q)* — параметр колебательной системы, определяющий ширину резонанса и характеризующий, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за время изменения фазы на 1 радиан.
Принцип работы реконфигурируемости наглядно показан на 1b и 1c. Все типы фильтров могут быть сформированы путем настройки резонансов DR и MRR всего с четырьмя микронагревателями. Верхняя боковая полоса подстраивается под узкую режекторную характеристику MRR для выбора желаемой частотной точки в радиочастотной области. Для BSF (от band-stop filter, т. е. режекторный фильтр) широкий режекторный отклик DR термически настраивается для подавления нижней боковой полосы, и, таким образом, может быть получена эквивалентная однополосная модуляция. Когда коэффициенты ослабления двух откликов согласованы, амплитуды боковых полос на желаемой частоте равны, и реализуется полная компенсация. Для BPF (от bandpass filter, т. е. полосовый фильтр) необходимо просто отодвинуть резонанс от нижней боковой полосы и выполнить преобразование PM в модуляцию интенсивности (PM-IM). Наконец, несущая и модифицированные боковые полосы смешиваются в PD для формирования соответствующего RF-фильтра. Кроме того, ответы BSF и BPF можно дополнительно настроить, просто отрегулировав состояние связи MRR. Гибкая полоса пропускания BPF может быть достигнута путем регулировки состояния связи MRR с недостаточной связи на избыточную связь, другими словами, уменьшение нагруженной добротности приводит к увеличению FWHM (от full width at half maximum, т. е. полная ширина на уровне половины высоты) MRR.
Рассматриваемый IMPF изготовлен на комплементарной платформе металл-оксид-полупроводник (CMOS), совместимой с 220-нм платформой SOI. Рабочая площадь составляет всего 0.4 × 4.8 мм, а белая линия на 1d показывает оптический путь. Длина PM составляет 3.8 мм. PM разработан с электродами бегущей волны для ввода высокочастотного RF-сигнала. Также в PM присутствует 200 нм полосовой волновод с двумя микронагревателями для контроля положения резонанса.
Высокодобротный MRR использует асимметричный MZ интерферометр (AMZI от asymmetric Mach–Zehnder interferometer) в качестве области связи между микрокольцом и двумя шинными волноводами для регулируемого коэффициента связи. Ширина многомодового волновода составляет 2 мкм, а расчетная длина прямолинейного участка — 600 мкм. Чтобы избежать возбуждения мод высокого порядка, многомодовый волновод сужается, чтобы соединить одномодовый изгиб 450 нм с радиусом 30 мкм. При этом один микронагреватель применен на прямом волноводе микрокольца, а другой — на плече AMZI на шинном волноводе.
PD, подключенный к сквозному порту MRR, выполнен в виде вертикальной p-i-n структуры и реализован методом эпитаксии германия (Ge) для высокоскоростного оптико-электронного преобразования.
Результаты опытов
Ученые провели ряд практических испытаний для оценки характеристик и функциональных возможностей исследуемого IMPF. Векторный анализатор электрических цепей (VNA от vector network analyzer) использовался для измерения RF-откликов IMPF в различных режимах работы. Для генерации непрерывного излучения использовался внешний лазер с мощностью инжекции на кристалле ∼16 дБм, что исключает потери связи ∼6 дБ. Высокочастотные микроволновые датчики были подключены к контактным участкам встроенных PM и PD. Следовательно, RF-сигнал мощностью 9 дБм, генерируемый VNA, может быть отправлен для управления PM. После IMPF обработки можно было принимать восстановленный радиочастотный сигнал от PD.
Изображение №2
Что касается функции полосовой фильтрации, то резонанс DR был сдвинут далеко от оптической несущей.
Как показано на 2a и 2c, путем настройки микронагревателя, примененного на прямом волноводе MRR, центральную частоту полосы пропускания можно непрерывно изменять от 3 ГГц до 24 ГГц (около половины FSR). Благодаря высокой добротности минимальная полоса пропускания по 3 дБ могла достигать 220 МГц, тогда как максимальный коэффициент подавления (RR от rejection ratio) достигает 18.8 дБ.
Что касается функции режекторной фильтрации, то резонансная частота DR была смещена, чтобы устранить нижнюю боковую полосу, генерируемую PM. Точная настройка состояния связи микрокольца позволяет обеспечить полную компенсацию между верхней и нижней боковыми полосами. Как показано на 2b и 2d, сверхвысокий RR был получен от 5 ГГц до 30 ГГц путем непрерывной настройки MRR. Наибольший RR достиг почти 61.7 дБ.
Для проверки реконфигурируемости полосы пропускания (2e), FWHM была настроена путем изменения коэффициента связи между шинным волноводом и MRR. Результаты показывают, что предлагаемый IMPF может обеспечивать регулировку полосы пропускания с 250 МГц до 2.07 ГГц. Реконфигурируемость RR также была доказана путем настройки коэффициента ослабления передачи MRR (2f). RR можно было настроить от 12 дБ до 50 дБ.
Изображение №3
Когда речь идет о реальных приложениях, где осуществляется передача радиочастотных сигналов, то RF-приемник нуждается в полосовом фильтре для отделения нужных ему сигналов от других каналов. Быстрое переключение между различными каналами также является важным аспектом для обеспечения низкой задержки.
Дабы продемонстрировать быструю избирательность канала, ученые провели практические опыты (3a). Генератор сигналов произвольной формы использовался для генерации QPSK-сигнала со скоростью 400 Мбит/с, модулированного на частоте 10 ГГц, который был наложен на синусоидальный сигнал на частоте 6 ГГц для имитации двух разных каналов одновременно. Сгенерированные сигналы усиливались с помощью электронного усилителя (EA от electronic amplifier), а затем вводились в исследуемый IMPF. Прямоугольный сигнал, генерируемый генератором произвольных функций, подавался на микронагреватель на прямом волноводе MRR, чтобы сделать скачок центральной частоты между 6 ГГц и 10 Ггц. Результаты опыта показали, что для выбора различных частотных каналов значение RR может быть почти 20 дБ (3b и 3c).
Для дальнейшего подтверждения производительности был проведен автономный процесс обработки данных для имитации преобразования с понижением частоты QPSK сигнала, а частота автогенератора (LO от local oscillator) была установлена на 8 ГГц, чтобы объединить два канала. Данные по обработанному сигналу показывают, что каналы четко разделены, а величина вектора ошибки (EVM от error vector magnitude) составляет 18.80%. Это позволяет предположить, что канал 6 ГГц был эффективно подавлен.
Изображение №4
Ученые провели еще один опыт (4a), целью которого была демонстрация способности IMPF подавлять помехи. IMPF был настроен на выполнение функции режекторной фильтрации. QPSK сигнал со скоростью 2 Гбит/с, модулированный на частоте 10 ГГц, был сгенерирован генератором сигналов произвольной формы. Генератор микроволнового источника (MSG от microwave source generator) выдавал сильный синусоидальный сигнал помех на частоте 11.8 ГГц. Два сигнала были запущены двумя антеннами, рабочие диапазоны частот которых составляли 2–18 ГГц и 10–28 ГГц соответственно. Гибридные сигналы принимались другой антенной и усиливались с помощью EA. После чего сигналы преобразовывались с понижением частоты с помощью RF-микшера. Частота полученного LO составила 11 ГГц.
На 4c и 4d показаны спектры отфильтрованных сигналов и сигнальное созвездие после микшера соответственно. Красная линия на 4c представляет наложенный мешающий сигнал, соответствующий 4d (слева), где фильтр выключен. Синяя линия представляет сигнал подавления помех, соответствующий 4d (справа). IMPF мог подавлять интенсивность помех почти на 20 дБ.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали широкополосный и легко реконфигурируемый IMPF (интегрированный микроволновой фотонный фильтр) с оптимизированной структурой на платформе SOI. В одном устройстве одновременно было реализовано несколько функций фильтрации нежелательных сигналов. Для BPF (полосовый фильтр) настраиваемая частота составляла от 3 ГГц до 24 ГГц, а минимальная полоса пропускания по уровню 3 дБ составляла 220 МГц. Для BSF (режекторный фильтр) перестраиваемая частота составляла от 5 ГГц до 30 ГГц с плоской полосой пропускания, а RR превышал 60 дБ. Реконфигурация полосы пропускания и коэффициента подавления были достигнуты от 250 МГц до 2.07 ГГц и от 12 дБ до 50 дБ соответственно.
Чтобы подтвердить практичность разработанного IMPF, ученые провели эксперимент по быстрой селективности канала, а также по подавлению сильных помех. Результаты обоих экспериментов показали, что IMPF обладает рядом важных преимуществ, среди которых: высокое разрешение, реконфигурируемость, сверхширокая полоса пропускания, простота производства, малый вес и низкое энергопотребление.
Авторы разработки считают, что совокупность этих качеств делает их творение идеальным кандидатом для решения многих проблем, которые наверняка будут сопровождать разработку и реализацию 6G связи.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
