Equipe desenvolve um processador fotônico em tempo real com latência de picossegundos para interferência dinâmica de RF
a, Esquema do processador fotônico. PIC, circuito integrado fotônico. MRR, ressonador de microanel. Mod, modulador. BPD, fotodetector balanceado. TIA, amplificador de transimpedância. FPGA, array de portas programáveis em campo. O caminho do sinal começa em MRR Mod e termina em BPD, compondo um guia de ondas on-chip com comprimento de 1,6 mm, que possui índice de refração próximo a 2,44. A latência é, portanto, o tempo de propagação da luz, que é de cerca de 15 ps. b, Processador fotônico compacto do tamanho da palma da mão. A configuração compreende duas placas de circuito impresso empilhadas e conectadas por um cabo plano. A placa superior monta o PIC com impedância projetada para lidar com sinais de alta frequência. A placa inferior é preenchida com conversores digital-analógico (DACs) multicanal, fornecendo correntes de sintonia e tensões de polarização para componentes no PIC. c, visão ampliada do PIC, TIAs e matriz de fibra empacotados. Crédito:por Weipeng Zhang, Joshua Lederman, Thomas Ferreira de Lima, Jiawei Zhang, Simon Bilodeau, Leila Hudson, Alexander Tait, Bhavin Shastri e Paul Prucnal Altímetros de radar são os únicos indicadores de altitude acima de um terreno. Bandas celulares 5G espectralmente adjacentes apresentam riscos significativos de interferência nos altímetros e impacto na aterrissagem e decolagem de voos. À medida que a tecnologia sem fio se expande na cobertura de frequência e utiliza multiplexação espacial, interferências prejudiciais semelhantes de radiofrequência (RF) tornam-se uma questão premente.
Para resolver esta interferência, front-ends de RF com latência excepcionalmente baixa são cruciais para setores como transporte, saúde e militar, onde a pontualidade das mensagens transmitidas é crítica. As gerações futuras de tecnologias sem fio imporão requisitos de latência ainda mais rigorosos nos front-ends de RF devido ao aumento da taxa de dados, da frequência da portadora e do número de usuários.
Além disso, surgem desafios do movimento físico dos transceptores, resultando em taxas de mistura variantes no tempo entre interferência e sinal de interesse (SOI). Isso exige adaptabilidade em tempo real em receptores móveis sem fio para lidar com interferências flutuantes, especialmente quando transportam informações críticas de segurança para navegação e direção autônoma, como aeronaves e veículos terrestres.
Em um novo artigo publicado em Light:Science &Applications , uma equipe de cientistas, liderada pelo professor Paul Prucnal do Lightwave Lab, Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Princeton, EUA, e colegas de trabalho introduziram um sistema em chip (SoC) que emprega fotônica de silício para lidar com rádio dinâmico -interferência de frequência (RF).
O cerne deste salto tecnológico está nos circuitos integrados fotônicos (PICs), que podem processar informações de banda larga convertendo frequências de rádio em frequências ópticas. Ao contrário dos componentes de RF analógicos tradicionais ou da eletrônica digital, os PICs reduzem drasticamente a latência por meio do processamento analógico direto, um recurso crítico à medida que as tecnologias sem fio progridem em direção a frequências mais altas.
No entanto, a integração de um sistema completo em um chip para processamento de microondas tem enfrentado desafios em design, controle e embalagem. Os PICs atuais normalmente exigem dispositivos externos volumosos para análise e controle de sinal, levando a métricas de tamanho, peso e potência impraticáveis para implantação no mundo real.
Para enfrentar esses desafios, a pesquisa apresenta um dispositivo fotônico autônomo, compacto e do tamanho da palma da mão. Este dispositivo integra moduladores, bancos de peso de ressonadores de microanel (MRR) e fotodetectores em um único chip, reduzindo significativamente a latência de processamento para menos de 15 picossegundos. Além disso, um array de portas programáveis em campo (FPGA) com periféricos integrados lida com análises estatísticas de alto rendimento e algoritmos de separação cega de fontes (BSS) de alto nível. Esta configuração permite a execução em tempo real a uma taxa de atualização de 305 Hz, uma melhoria acentuada em relação aos sistemas anteriores.
A equipe de pesquisa testou com sucesso este dispositivo em dois cenários de interferência dinâmica – comunicações móveis e altímetros de radar. Os resultados foram encorajadores, demonstrando uma operação livre de erros e mantendo relações sinal-ruído superiores a 15 dB. Esta inovação demonstra o potencial do dispositivo para enfrentar eficazmente os desafios de interferência do mundo real.
Esta pesquisa marca um passo significativo no desenvolvimento de processadores fotônicos. Foi pioneira no desenvolvimento de um PIC capaz de aprendizagem online em tempo real e ajuste rápido de pesos fotônicos. À medida que a pesquisa avança, são esperadas melhorias no formato, no desempenho e na adaptabilidade online. Esses avanços ampliarão a aplicabilidade dos processadores fotônicos a uma série de tarefas exigentes, incluindo controle preditivo de modelos e computação neuromórfica.
O estudo marca um avanço substancial no campo do processamento de sinais fotônicos, destacando seu potencial para enfrentar desafios complexos do mundo real.
Mais informações: Weipeng Zhang et al, Um processador fotônico de micro-ondas system-on-chip resolve interferência dinâmica de RF em tempo real com latência de picossegundos, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01362-5 Informações do diário: Luz:Ciência e Aplicações
