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Pesquisadores desenvolveram um novo filtro fotônico de micro-ondas do tamanho de um chip para separar os sinais de comunicação do ruído e suprimir interferências indesejadas em todo o espectro de frequência de rádio. Espera-se que o dispositivo ajude as tecnologias de comunicação sem fio de próxima geração a transmitir dados com eficiência em um ambiente que está ficando lotado de sinais de dispositivos como telefones celulares, veículos autônomos, aparelhos conectados à Internet e infraestrutura de cidade inteligente.
“Este novo chip de filtro de micro-ondas tem potencial para melhorar a comunicação sem fio, como 6G, levando a conexões de internet mais rápidas, melhores experiências gerais de comunicação e menores custos e consumo de energia para sistemas de comunicação sem fio”, disse o pesquisador Xingjun Wang, da Universidade de Pequim. “Esses avanços afetariam direta e indiretamente a vida cotidiana, melhorando a qualidade de vida geral e permitindo novas experiências em vários domínios, como mobilidade, casas inteligentes e espaços públicos”.
No Pesquisa fotônica jornal co-publicado pela Chinese Laser Press e Optica Publishing Group, os pesquisadores descrevem como seu novo filtro fotônico supera as limitações dos dispositivos eletrônicos tradicionais para alcançar múltiplas funcionalidades em um dispositivo do tamanho de um chip com baixo consumo de energia. Eles também demonstram a capacidade do filtro de operar em um amplo espectro de frequência de rádio que se estende até mais de 30 GHz, mostrando sua adequação para a tecnologia 6G prevista.
“À medida que a largura de banda eletro-óptica de dispositivos optoeletrônicos continua a aumentar sem parar, acreditamos que o filtro fotônico de micro-ondas integrado certamente será uma das soluções importantes para futuras comunicações sem fio 6G”, disse Wang. “Apenas um link fotônico de micro-ondas integrado bem projetado pode alcançar baixo custo, baixo consumo de energia e desempenho de filtragem superior.”
Parando a interferência
A tecnologia 6G está sendo desenvolvida para melhorar as redes de comunicação 5G atualmente implantadas. Para transmitir mais dados a uma taxa mais rápida, espera-se que as redes 6G usem ondas milimétricas e até bandas de frequência de terahertz. Como isso distribuirá sinais em um espectro de frequência extremamente amplo com taxa de dados aumentada, há uma alta probabilidade de interferência entre diferentes canais de comunicação.
Para resolver esse problema, os pesquisadores procuraram desenvolver um filtro que pudesse proteger os receptores de sinal de vários tipos de interferência em todo o espectro de radiofrequência. Para ser econômico e prático para implantação generalizada, é importante que esse filtro seja pequeno, consuma pouca energia, tenha múltiplas funções de filtragem e possa ser integrado em um chip. No entanto, as demonstrações anteriores foram limitadas por suas poucas funções, tamanho grande, largura de banda limitada ou requisitos associados a componentes elétricos.
Para o novo filtro, os pesquisadores criaram uma arquitetura fotônica simplificada com quatro partes principais. Primeiro, um modulador de fase serve como entrada do sinal de radiofrequência, que modula o sinal elétrico no domínio óptico. Em seguida, um anel duplo atua como um interruptor para moldar o formato de modulação. Um microanel ajustável é a unidade principal para processar o sinal. Finalmente, um fotodetector serve como saída do sinal de radiofrequência e recupera o sinal de radiofrequência do sinal óptico.
“A maior inovação aqui é quebrar as barreiras entre os dispositivos e alcançar a colaboração mútua entre eles”, disse Wang. “A operação colaborativa do anel duplo e do microanel permite a realização da arquitetura de microanel em cascata ajustável de estágio único e consistente com intensidade (ICSSA-CM). Devido à alta reconfigurabilidade do ICSSA-CM proposto, nenhuma frequência de rádio extra dispositivo é necessário para a construção de várias funções de filtragem, o que simplifica toda a composição do sistema.”
Demonstrando desempenho
Para testar o dispositivo, os pesquisadores usaram sondas de alta frequência para carregar um sinal de radiofrequência no chip e coletaram o sinal recuperado com um fotodetector de alta velocidade. Eles usaram um gerador de forma de onda arbitrária e antenas direcionais para simular a geração de sinais de transmissão sem fio de alta velocidade de 2 Gb/s e um osciloscópio de alta velocidade para receber o sinal processado. Ao comparar os resultados com e sem o uso do filtro, os pesquisadores puderam demonstrar o desempenho do filtro.
No geral, as descobertas mostram que a arquitetura fotônica simplificada alcança desempenho comparável com menor perda e complexidade do sistema em comparação com filtros fotônicos de micro-ondas integrados programáveis anteriores compostos por centenas de unidades repetidas. Isso o torna mais robusto, mais eficiente em termos de energia e mais fácil de fabricar do que os dispositivos anteriores.
Os pesquisadores planejam otimizar ainda mais o modulador e melhorar a arquitetura geral do filtro para alcançar uma alta faixa dinâmica e baixo ruído, garantindo alta integração nos níveis do dispositivo e do sistema.
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