Forscher der Universität Twente haben einen revolutionären programmierbaren integrierten photonischen Mikrowellenfilter mit einem rekordverdächtigen Dynamikbereich entwickelt. Dies stellt einen großen Durchbruch bei der Integration von Funktionalität und Leistung in hochfrequente photonische Signalprozessoren dar.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.
Prof. Dr. David Marpaung, einer der Autoren der Studie, sagt: „Unsere Arbeit bricht mit dem konventionellen und fragmentierten Ansatz von Integration, Funktionalität und Leistung, der derzeit die Einführung dieser photonischen Systeme in realen Anwendungen verhindert. Herkömmliche Hochfrequenzfilter können dies nur arbeiten in einem schmalen Frequenzbereich, d. h. Sie benötigen mehrere separate Filter für den Breitbandbetrieb. Unser Gerät ist integriert, breitbandig und hat einen enormen Dynamikbereich, sodass es möglich ist, nur einen einzigen photonischen Schaltkreis für verschiedene Frequenzbereiche zu verwenden.“
Viele Anwendungen
Die Forschung zeigt, dass der Filter eine Schlüsselrolle in modernen Hochfrequenz- und Mikrowellenanwendungen spielen kann, einschließlich kognitivem Radio, Multiband-Allspektrum-Kommunikation und programmierbaren Breitband-Front-Ends. Vor dieser Entdeckung hatten programmierbare photonische Mikrowellenschaltkreise mit solch fortschrittlichen Funktionen eine schlechte Leistung. „Die vielseitige Programmierung des Chips kann leicht verschiedenen Störungen wie Verlust, Rauschen und Verzerrung des Signals nachgeben“, erklärt Marpaung.
Um dies zu verhindern, setzen die Forscher programmierbare Resonatoren und Interferometer ein, um die Auswirkungen von Rauschen und nichtlinearer Verzerrung gemeinsam zu reduzieren und gleichzeitig eine große Anzahl von Filterfunktionen bereitzustellen. Marpaung sagt: „Die Lösung des Problems der Rauschzahl und des Dynamikbereichs ist eine der schwierigsten Herausforderungen in der Mikrowellen-Photonik. Dieser Durchbruch beweist, dass die integrierte Mikrowellen-Photonik tatsächlich eine sehr hohe Leistung erzielen kann. Dies wird die Einführung dieser Technologie in Kommunikationssystemen der nächsten Generation unterstützen (6G) und Satellitenkommunikation zum Beispiel.“
Rekordtiefer Rauschwert
Die Forscher verwendeten ein spezielles Werkzeug – einen sogenannten Modulationstransformator –, um die Stärke und das Timing von Lichtwellen und Hochfrequenzsignalen anzupassen. Dies ermöglicht eine Verbesserung des Chiprauschens und der Dynamikbereichsleistung.
Durch die Kombination dieser Elemente in einem einzigen Mikrowellen-Photonik-Schaltkreis konnte das Team programmierbare Filterfunktionen mit einem rekordniedrigen Rauschmaß von 15 dB und einem Hochfrequenz-Kerbfilter mit einem ultrahohen Dynamikbereich von mehr als 123 dB in 1 demonstrieren Hz-Bandbreite. Das ist eine ähnliche Bandbreite wie die Geräuschpegel zwischen völliger Stille und einem Rockkonzert.
Mehr Informationen:
Okky Daulay et al., Programmierbarer integrierter photonischer Mikrowellenfilter mit ultrahohem Dynamikbereich und niedriger Rauschzahl, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-35485-x