用于具有皮秒延迟的动态射频干扰的实时光子处理器
雷达高度计是地形上方高度的唯一指示器。频谱上相邻的 5G 蜂窝频段会带来干扰高度计并影响航班着陆和起飞的重大风险。随着无线技术频率覆盖范围的扩大并利用空间复用，类似的有害射频 (RF) 干扰成为一个紧迫的问题。为了解决这种干扰，具有极低延迟的射频前端对于交通、医疗保健和军事等行业至关重要，这些行业传输消息的及时性至关重要。由于数据速率、载波频率和用户数量的增加，未来几代无线技术将对射频前端提出更严格的延迟要求。此外，收发器的物理移动也带来了挑战，导致干扰和感兴趣信号 (SOI) 之间的混合比随时间变化。这需要移动无线接收器具有实时适应性，以处理波动的干扰，特别是当它携带用于导航和自动驾驶(例如飞机和地面车辆)的生命安全关键信息时。
在《光：科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，由美国普林斯顿大学电气与计算机工程系光波实验室的 Paul Prucnal 教授领导的科学家团队及其同事介绍了一种片上系统(SoC)，采用硅光子学来解决动态射频 (RF) 干扰，这是交通、医疗保健和军事行动等领域日益严重的问题。鉴于相邻 5G 蜂窝频段雷达高度计干扰的风险增加，对飞机安全构成威胁，这一创新尤为重要。
这一技术飞跃的核心在于光子集成电路(PIC)，它可以通过将射频转换为光频率来处理宽带信息。与传统的模拟 RF 组件或数字电子产品不同，PIC 通过直接模拟处理显着减少延迟，这是无线技术向更高频率发展的关键功能。
然而，在芯片上集成用于微波处理的完整系统在设计、控制和封装方面面临着挑战。当前的 PIC 通常需要笨重的外部设备来进行信号分析和控制，导致实际部署的尺寸、重量和功率指标不切实际。
为了解决这些挑战，该研究推出了一种紧凑的、手掌大小的独立光子器件。该器件将调制器、微环谐振器 (MRR) 权重组和光电探测器集成在单个芯片上，从而将处理延迟显着降低至 15 皮秒以下。此外，带有集成外设的现场可编程门阵列 (FPGA) 可处理高吞吐量统计分析和高级盲源分离 (BSS) 算法。此设置能够以 305 Hz 的刷新率实时执行，这比以前的系统有显着改进。
研究团队成功地在移动通信和雷达高度计两种动态干扰场景中测试了该设备。结果令人信服，证明运行无差错，信噪比保持在 15 dB 以上。这一突破展示了该设备有效解决现实世界干扰挑战的潜力。
这项研究标志着光子处理器的发展向前迈出了重要一步。它率先开发了能够实时在线学习和快速调整光子权重的PIC。随着研究的进展，预计外形尺寸、性能和在线适应性将得到增强。这些进步将扩大光子处理器的适用性，使其适应一系列要求苛刻的任务，包括模型预测控制和神经形态计算。这项研究标志着光子信号处理领域向前迈出了实质性的一步，凸显了其在解决复杂的现实世界挑战方面的潜力。
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