Team udvikler en fotonisk realtidsprocessor med picosecond latency til dynamisk RF-interferens

Radarhøjdemålere er de eneste indikatorer for højde over et terræn. Spektralt tilstødende 5G-cellebånd udgør betydelige risici for blokering af højdemålere og påvirker flylanding og start. Efterhånden som trådløs teknologi udvides i frekvensdækning og anvender rumlig multipleksing, bliver lignende skadelig radiofrekvensinterferens (RF) et presserende problem.

For at imødegå denne interferens er RF-frontends med usædvanlig lav latenstid afgørende for industrier som transport, sundhedspleje og militæret, hvor aktualiteten af ​​transmitterede meddelelser er afgørende. Fremtidige generationer af trådløse teknologier vil pålægge endnu strengere latenskrav på RF-front-ends på grund af øget datahastighed, operatørfrekvens og brugerantal.

Derudover opstår udfordringer fra den fysiske bevægelse af transceivere, hvilket resulterer i tidsvarierende blandingsforhold mellem interferens og signal-af-interesse (SOI). Dette nødvendiggør tilpasningsevne i realtid i mobile trådløse modtagere til at håndtere fluktuerende interferens, især når den bærer livssikkerhedsmæssig information til navigation og autonom kørsel, såsom fly og landkøretøjer.

I et nyt papir offentliggjort i Light:Science &Applications , et team af videnskabsmænd, ledet af professor Paul Prucnal fra Lightwave Lab, Department of Electrical and Computer Engineering, Princeton University, USA, og kolleger har introduceret et system-on-chip (SoC), der anvender siliciumfotonik til at tackle dynamisk radio -frekvens (RF) interferens.

Hjertet i dette teknologiske spring ligger i fotoniske integrerede kredsløb (PIC'er), som kan behandle bredbåndsinformation ved at konvertere radiofrekvenser til optiske frekvenser. I modsætning til traditionelle analoge RF-komponenter eller digital elektronik reducerer PIC'er forsinkelsen dramatisk gennem direkte analog behandling, en kritisk funktion, efterhånden som trådløse teknologier udvikler sig mod højere frekvenser.

At integrere et komplet system på en chip til mikrobølgebehandling har imidlertid stået over for udfordringer i design, kontrol og emballering. Nuværende PIC'er kræver typisk voluminøse eksterne enheder til signalanalyse og kontrol, hvilket fører til upraktiske størrelses-, vægt- og effektmålinger til implementering i den virkelige verden.

For at løse disse udfordringer introducerer forskningen en kompakt, selvstændig fotonisk enhed i håndfladestørrelse. Denne enhed integrerer modulatorer, mikroringresonator (MRR) vægtbanker og fotodetektorer på en enkelt chip, hvilket signifikant reducerer behandlingsforsinkelsen til mindre end 15 picosekunder. Derudover håndterer et field-programmable gate array (FPGA) med integreret periferiudstyr high-throughput statistisk analyse og high-level blind source separation (BSS) algoritmer. Denne opsætning muliggør udførelse i realtid med en opdateringshastighed på 305 Hz, en markant forbedring i forhold til tidligere systemer.

Forskerholdet testede med succes denne enhed i to dynamiske interferensscenarier - mobil kommunikation og radarhøjdemålere. Resultaterne var opmuntrende, demonstrerede fejlfri drift og bibeholdt signal-til-støj-forhold over 15 dB. Dette gennembrud viser enhedens potentiale til effektivt at løse den virkelige verden med interferensudfordringer.

Denne forskning markerer et væsentligt skridt fremad i udviklingen af ​​fotoniske processorer. Det har været banebrydende i udviklingen af ​​en PIC, der er i stand til online læring i realtid og hurtig justering af fotoniske vægte. Efterhånden som forskningen skrider frem, forventes forbedringer i formfaktor, ydeevne og online tilpasningsevne. Disse fremskridt vil udvide anvendeligheden af ​​fotoniske processorer til en række krævende opgaver, herunder modelprædiktiv kontrol og neuromorfisk databehandling.

Undersøgelsen markerer et væsentligt skridt fremad inden for fotonisk signalbehandling og fremhæver dets potentiale til at løse komplekse udfordringer i den virkelige verden.

Flere oplysninger: Weipeng Zhang et al., En system-on-chip mikrobølge fotonisk processor løser dynamisk RF-interferens i realtid med picosecond latency, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01362-5

Journaloplysninger: Lys:Videnskab og applikationer

Leveret af Chinese Academy of Sciences