Художественное представление программируемой интегральной схемы MWP со сверхвысоким динамическим диапазоном. Схема содержит универсальный модуляционный трансформатор (MT) для независимой настройки фазы и амплитуды спектра оптической модуляции и столь же универсальный кольцевой резонатор с двойной инжекцией (DI-RR) для синтеза различных откликов, включая программируемые ВЧ-фильтры. Комбинация MT и DI-RR также обеспечивает линеаризацию за счет подавления интермодуляционных искажений (IMD) и уменьшения коэффициента шума (NF) за счет низкого смещения и метода подавления несущей, что приводит к сверхвысокому динамическому диапазону. SFDR: динамический диапазон без паразитных составляющих. Предоставлено: Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-35485-х

Профессор доктор Дэвид Марпаунг, один из авторов исследования, говорит: «Наша работа ломает традиционный и фрагментарный подход к интеграции, функциональности и производительности, который в настоящее время препятствует внедрению этих фотонных систем в реальные приложения. Традиционные радиочастотные фильтры работают только в узком диапазоне частот, а это означает, что для широкополосной работы вам потребуется несколько отдельных фильтров. Наше устройство является интегрированным, широкополосным и имеет огромный динамический диапазон, что позволяет использовать только одну фотонную схему для различных частотных диапазонов».

Множество приложений

Исследование показывает, что этот фильтр может играть ключевую роль в современных радиочастотных и микроволновых приложениях, включая когнитивное радио, многодиапазонную широкополосную связь и широкополосные программируемые интерфейсы. До этого открытия программируемые микроволновые фотонные схемы с такими продвинутыми функциями имели низкую производительность. «Универсальное программирование чипа может легко поддаваться различным помехам, таким как потери, шумы и искажения сигнала», — объясняет Марпаунг.

Чтобы предотвратить это, исследователи используют программируемые резонаторы и интерферометры, чтобы вместе уменьшить влияние шума и нелинейных искажений, в то же время предоставляя большое количество функций фильтрации. Марпаунг говорит: «Решение проблемы коэффициента шума и динамического диапазона является одной из самых сложных задач в микроволновой фотонике. Этот прорыв доказывает, что интегрированная микроволновая фотоника действительно может обеспечить очень высокую производительность. Это поможет внедрению этой технологии в системах связи следующего поколения. (6G) и спутниковая связь, например».

Рекордно низкий уровень шума

Исследователи использовали специальный инструмент — так называемый преобразователь модуляции — для регулировки силы и времени световых волн и радиочастотных сигналов. Это позволяет улучшить характеристики шума микросхемы и динамического диапазона.

Объединив эти элементы в единую схему СВЧ-фотоники, команда смогла продемонстрировать функции программируемого фильтра с рекордно низким коэффициентом шума 15 дБ и узкополосный режекторный фильтр со сверхвысоким динамическим диапазоном более 123 дБ в 1 Полоса пропускания Гц. Это такой же диапазон, как уровни шума между полной тишиной и рок-концертом.