研究人员开发了一种新的芯片大小的微波光子滤波器，可以将通信信号与噪声分离，并抑制整个无线电频谱中不需要的干扰。该设备有望帮助下一代无线通信技术在手机、自动驾驶汽车、联网设备和智能城市基础设施等设备信号越来越多的环境中有效地传输数据。
“这种新型微波滤波器芯片有可能改善无线通信，例如6G，从而带来更快的互联网连接、更好的整体通信体验以及更低的无线通信系统成本和能耗，”北京大学研究员 Xingjun Wang说。“这些进步将直接或间接地影响日常生活，提高整体生活质量，并在移动、智能家居和公共空间等各个领域带来新体验。”
在激光出版社和光学出版集团联合出版的《光子学研究》杂志上，研究人员描述了他们的新型光子滤波器如何克服传统电子设备的局限性，在芯片大小的低功耗设备上实现多种功能。他们还展示了该滤波器能够在延伸至 30 GHz 以上的宽射频频谱范围内运行，表明其适用于预期的 6G 技术。
“随着光电器件的电光带宽持续不可阻挡地增加，我们相信集成微波光子滤波器必将成为未来6G无线通信的重要解决方案之一，”王说。“只有设计良好的集成微波光子链路才能实现低成本、低功耗和卓越的滤波性能。”
停止干扰
正在开发 6G 技术以改进当前部署的 5G 通信网络。为了以更快的速度传输更多数据，6G 网络有望使用毫米波甚至太赫兹频段。由于这将以更高的数据速率在极宽的频谱上分发信号，因此不同通信信道之间很可能会发生干扰。
为了解决这个问题，研究人员试图开发一种滤波器，可以保护信号接收器免受整个无线电频谱中各种类型的干扰。为了具有成本效益和广泛部署的实用性，重要的是该滤波器体积小，功耗低，实现多种滤波功能并能够集成在芯片上。然而，之前的演示受到功能少、尺寸大、带宽有限或与电气元件相关的要求的限制。
对于新滤波器，研究人员创建了一个包含四个主要部分的简化光子架构。首先，相位调制器作为射频信号的输入，将电信号调制到光域。接下来，双环充当开关以塑造调制格式。可调微环是处理信号的核心单元。最后，光电探测器作为射频信号的输出端，从光信号中恢复出射频信号。
“这里最大的创新是打破设备之间的壁垒，实现设备之间的相互协作，”王说。“双环和微环的协同操作能够实现强度一致的单级可调级联微环 (ICSSA-CM) 架构。由于所提出的 ICSSA-CM 的高度可重构性，构建各种滤波功能不需要额外的射频设备，从而简化了整个系统的组成。”
展示性能
为了测试该设备，研究人员使用高频探头将射频信号加载到芯片中，并使用高速光电探测器收集恢复的信号。他们使用任意波形发生器和定向天线模拟 2Gb/s 高速无线传输信号的产生，并使用高速示波器接收处理后的信号。通过比较使用和不使用过滤器的结果，研究人员能够证明过滤器的性能。
总的来说，研究结果表明，与以前由数百个重复单元组成的可编程集成微波光子滤波器相比，简化的光子架构实现了可比的性能，同时具有更低的损耗和系统复杂性。这使得它比以前的设备更坚固、更节能并且更容易制造。
研究人员计划进一步优化调制器并改进整体滤波器架构，以实现高动态范围和低噪声，同时确保器件和系统级别的高度集成。
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