Radarhoogtemeters zijn de enige indicatoren voor de hoogte boven een terrein. Spectraal aangrenzende 5G-cellulaire banden vormen een aanzienlijk risico op het blokkeren van hoogtemeters en het beïnvloeden van het landen en opstijgen van vluchten. Naarmate de frequentiedekking van draadloze technologie zich uitbreidt en gebruik maakt van ruimtelijke multiplexing, wordt soortgelijke schadelijke radiofrequentie-interferentie (RF) een urgent probleem.

Om deze interferentie aan te pakken zijn RF-front-ends met uitzonderlijk lage latentie van cruciaal belang voor sectoren als de transportsector, de gezondheidszorg en het leger, waar de tijdigheid van verzonden berichten van cruciaal belang is. Toekomstige generaties draadloze technologieën zullen nog strengere latentie-eisen stellen aan RF-front-ends vanwege de hogere datasnelheid, draaggolffrequentie en het aantal gebruikers.

Bovendien komen er uitdagingen voort uit de fysieke beweging van zendontvangers, wat resulteert in tijdsvariante mengverhoudingen tussen interferentie en signaal-van-interesse (SOI). Dit vereist real-time aanpassingsvermogen van mobiele draadloze ontvangers om fluctuerende interferentie te kunnen verwerken, vooral wanneer deze informatie bevatten die van levensbelang is voor navigatie en autonoom rijden, zoals bij vliegtuigen en grondvoertuigen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Light:Science &Applications heeft een team van wetenschappers, onder leiding van professor Paul Prucnal van Lightwave Lab, Department of Electrical and Computer Engineering, Princeton University, VS, en collega’s een system-on-chip (SoC) geïntroduceerd dat siliciumfotonica gebruikt om dynamische radio aan te pakken -frequentie (RF) interferentie.

De kern van deze technologische sprong ligt in fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC's), die breedbandinformatie kunnen verwerken door radiofrequenties om te zetten in optische frequenties. In tegenstelling tot traditionele analoge RF-componenten of digitale elektronica, verminderen PIC's de latentie dramatisch door directe analoge verwerking, een cruciaal kenmerk naarmate draadloze technologieën zich ontwikkelen naar hogere frequenties.

Het integreren van een compleet systeem op een chip voor microgolfverwerking heeft echter te maken gehad met uitdagingen op het gebied van ontwerp, controle en verpakking. De huidige PIC's vereisen doorgaans omvangrijke externe apparaten voor signaalanalyse en -controle, wat leidt tot onpraktische afmetingen, gewicht en vermogensstatistieken voor implementatie in de echte wereld.

Om deze uitdagingen aan te pakken, introduceert het onderzoek een compact, op zichzelf staand fotonisch apparaat ter grootte van een handpalm. Dit apparaat integreert modulatoren, microring resonator (MRR) gewichtsbanken en fotodetectoren op één enkele chip, waardoor de verwerkingslatentie aanzienlijk wordt teruggebracht tot minder dan 15 picoseconden. Bovendien zorgt een field-programmable gate array (FPGA) met geïntegreerde randapparatuur voor statistische analyses met hoge doorvoer en blinde bronscheidingsalgoritmen (BSS) op hoog niveau. Deze opstelling maakt realtime uitvoering mogelijk met een vernieuwingsfrequentie van 305 Hz, een duidelijke verbetering ten opzichte van eerdere systemen.

Het onderzoeksteam heeft dit apparaat met succes getest in twee dynamische interferentiescenario's:mobiele communicatie en radarhoogtemeters. De resultaten waren bemoedigend en demonstreerden een foutloze werking en handhaafden signaal-ruisverhoudingen van meer dan 15 dB. Deze doorbraak demonstreert het potentieel van het apparaat om problemen met interferentie in de echte wereld effectief aan te pakken.

Dit onderzoek markeert een belangrijke stap voorwaarts in de ontwikkeling van fotonische processors. Het is een pionier in de ontwikkeling van een PIC die in staat is tot realtime online leren en snelle aanpassing van fotonische gewichten. Naarmate het onderzoek vordert, worden verbeteringen in de vormfactor, prestaties en online aanpassingsvermogen verwacht. Deze ontwikkelingen zullen de toepasbaarheid van fotonische processors vergroten voor een reeks veeleisende taken, waaronder modelvoorspellende controle en neuromorfisch computergebruik.

De studie markeert een substantiële stap voorwaarts op het gebied van fotonische signaalverwerking en benadrukt het potentieel ervan bij het aanpakken van complexe, reële uitdagingen.

Meer informatie: Weipeng Zhang et al., Een systeem-op-chip microgolffotonische processor lost dynamische RF-interferentie in realtime op met latentie van picoseconden, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01362-5

Journaalinformatie: Licht:wetenschap en toepassingen

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen