光子滤波器将信号与噪声分离 以支持未来的6G无线通信

研究人员开发了一种新型芯片大小的微波光子滤波器，可将通信信号与噪声分离，并抑制整个无线电频谱中的有害干扰。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、互联网连接设备和智能城市基础设施等设备信号日益拥挤的环境中有效地传输数据。

“这种新的微波滤波器芯片有可能改善无线通信，如6G，导致更快的互联网连接，更好的整体通信体验，并降低无线通信系统的成本和能耗，”北京大学的研究员Xingjun Wang说。“这些进步将直接和间接地影响日常生活，提高整体生活质量，并在各个领域提供新的体验，如移动性，智能家居和公共空间。

在《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。它们还展示了该滤波器在扩展到30 GHz以上的宽无线电频谱上工作的能力，表明其适用于设想的6G技术。

“随着光电器件的电光带宽不断增加，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。“只有精心设计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，预计6G网络将使用毫米波甚至太赫兹频段。由于这将在极宽的频谱上分配信号，并增加数据速率，因此不同通信信道之间很有可能产生干扰。

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在整个无线电频谱上免受各种类型的干扰。为了具有成本效益和实用性以便广泛部署，重要的是该滤波器体积小，功耗低，可实现多种滤波功能并能够集成到芯片上。然而，以前的演示受到其功能少、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简化的光子架构，包括四个主要部分。首先，相位调制器用作射频信号的输入，将电信号调制到光域。接下来，双环充当开关来塑造调制格式。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，并从光信号中恢复射频信号。

“这里最大的创新是打破设备之间的障碍，实现它们之间的相互协作，”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具有很高的可重构性，因此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，并用高速光电探测器收集回收的信号。他们使用任意波形发生器和定向天线来模拟2Gb/s高速无线传输信号的生成，并使用高速示波器来接收处理后的信号。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。

总体而言，结果表明，与以前由数百个中继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相当的性能，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、更易于制造。

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集成度。