Радуга и 6G

Не успели конспирологи и дизайнеры шапочек из фольги разобраться с 5G, как научное сообщество заговорило о 6G. Однако разговоров недостаточно, ведь подобного рода технология требует нестандартного подхода к ее реализации. Ученые из Университета Лафборо (Лафборо, Великобритания), вдохновившись физическими свойствами радуги, создали микрочип, способный генерировать высокоорганизованную «радугу» света. Что именно в радуге привлекло ученых, как работает новый чип, и чем он может быть полезен в коммуникационных технологиях будущего? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Разработка высокостабильных источников миллиметрового и терагерцового (ТГц) диапазонов в основной полосе частот имеет большое значение для систем связи, зондирования, а также синхронизации и позиционирования. Частотные стандарты миллиметрового диапазона (mm-wave) следующего поколения, работающие в субтерагерцовом диапазоне, станут основой будущих систем связи 6G и устройств позиционирования. Для этого необходимы метрологическая прослеживаемость по времени и низкий фазовый шум.

За последние два десятилетия источники миллиметрового диапазона все теснее связываются с фотонными технологиями и, в частности, с оптическими частотными гребнями, которые в настоящее время лежат в основе наиболее совершенных систем оптической метрологии как в спектральной, так и во временной области. В их число входят оптические частотные гребни, способные генерировать отдельные частоты с ультранизким уровнем шума в основной полосе миллиметрового диапазона. Характерными примерами связанных с этим технологий являются квантово-каскадные лазеры и электронные генераторы, спектральная чистота и точность частоты которых существенно повышаются при стабилизации с помощью оптических частотных гребней. Такие гибридные системы особенно важны для спектроскопических приложений, включая исследование квантовых состояний, терагерцовую спектроскопию во временной области и двухгребневые методы.

В более широком смысле оптические частотные гребни, которые можно использовать для генерации сигналов миллиметрового диапазона в основной полосе частот, как ожидается, станут одним из ключевых элементов беспроводных систем связи и позиционирования следующего поколения. Они могут применяться как источники сигналов связи, например в многоканальных системах параллельного частотного мультиплексирования и многопользовательских линиях связи, а также как средства калибровки и метрологии. Важным свойством является совместимость с когерентными оптическими линиями связи, особенно при распределении частот, стабилизированных по атомным часам. В этом контексте источники миллиметрового диапазона на основе микрогребней продемонстрировали компактность и беспрецедентную спектральную чистоту, особенно когда гребни на основе микрорезонаторов работают в так называемом солитонном режиме. Поскольку микрогребни основаны на монолитных интегрированных резонаторах, они обладают изначально более низким фазовым шумом, особенно по частоте повторения, которая естественным образом находится в субтерагерцовом диапазоне. Именно такое сочетание характеристик делает генерацию миллиметровых волн с помощью микрогребней особенно привлекательной по сравнению с решениями на основе традиционных импульсных лазеров с синхронизацией мод.

В недавних экспериментах был достигнут ультранизкий фазовый шум частоты повторения микрогребня, который эффективно переносился в миллиметровый диапазон, позволяя получать несущие с исключительно высокой спектральной чистотой. При этом чрезвычайно низкий фазовый шум, достигнутый в оптическом диапазоне, переносился к более низким частотам посредством оптического деления частоты, что позволило создавать современные одночастотные микроволновые источники с рекордно высокой спектральной чистотой.

Помимо генерации отдельных частот, следующим важным направлением является непосредственное создание широкополосного когерентного частотного гребня в субтерагерцовом диапазоне. Это особенно важно для многоканальных систем связи с частотным мультиплексированием, широкополосной спектроскопии и прецизионной оценки характеристик перспективных устройств 6G.

Изображение №1

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые продемонстрировали прямую генерацию широкополосного частотного гребня миллиметрового диапазона в основной полосе частот субтерагерцового диапазона с использованием оптического микрогребня. В отличие от предыдущих подходов на основе микрогребней, ориентированных преимущественно на получение одночастотных несущих посредством оптического деления частоты, генерации с помощью фотодиодов или фотосмешения выбранных частот, в данной работе непосредственно наблюдался широкополосный гребень в основной полосе, содержащий несколько взаимно когерентных гармоник в преобразованном выходном сигнале.

Ключевую роль здесь играют фотопроводящая генерация и выборка во временной области, поскольку они обеспечивают прямой доступ к одноцикловым сигналам без смещения несущей относительно огибающей в конфигурации, аналогичной терагерцовой спектроскопии во временной области, а не только к узкополосной несущей. Важным элементом данной реализации является волоконный лазер с фильтрацией микрорезонатором, работающий в режиме солитонов лазерного резонатора (1a, 1b). Его высокая спектральная эффективность, то есть характерное отсутствие выраженного непрерывного фонового излучения для данного солитонного состояния, делает практичным прямое оптическое сопряжение с фотопроводящими излучателями, в том числе без дополнительного оптического усиления (1c). Ученые также показали, что многосолитонные состояния позволяют простым образом изменять огибающую гармоник генерируемого миллиметрового частотного гребня непосредственно на уровне источника, сохраняя при этом одинаковый межлинейный частотный интервал (1d, 1e).

Продемонстрированные возможности открывают несколько реалистичных направлений применения. Прямая генерация гребня основной полосы с множеством гармоник представляет интерес для широкополосной калибровки и многотональной характеризации устройств; длительное сохранение когерентности — для архитектур спектроскопии во временной области (TDS от time-domain spectroscopy) с менее жесткими требованиями к синхронизации; а перераспределение спектра непосредственно на уровне источника с помощью многосолитонных состояний — для многоканальной спектроскопии и параллельных линий связи миллиметрового диапазона. Таким образом, в данной работе ученые продемонстрировали совместимый с микрогребнями подход к широкополосной фотопроводящей генерации частотных гребней миллиметрового диапазона.

Результаты исследования

Схема экспериментальной установки представлена на 1a. Лазер на основе микрогребня построен на нелинейном микрорезонаторе, включенном в резонатор волоконного усилителя, легированного эрбием (EDFA от erbium-doped fibre-amplifier). Типичный микрогребень в режиме солитона лазерного резонатора, генерируемый этой системой, показан на 1b; частота повторения составляет 48.91 ГГц. Система генерации и регистрации частотного гребня миллиметрового диапазона основана на коммерчески доступных компонентах ТГц-TDS. На ее вход непосредственно подаются импульсы солитона лазерного резонатора, формируемые на выходе резонатора. Установка TDS включает две фотопроводящие антенны, на которые подаются две копии выходного оптического сигнала с относительной задержкой, задаваемой механической оптической линией задержки. В частности, одна из фотопроводящих антенн генерирует миллиметровый сигнал E_THz(t), форма которого следует производной временного профиля оптической интенсивности I(t):

Огибающая оптического импульса также служит функцией выборки в приемнике TDS, а регистрируемое поле представляет собой свертку излученного терагерцового импульса с огибающей импульса выборки, как показано ниже:

На 1c показано преобразование сигнала свободно работающего микрогребневого лазера в односолитонном режиме с выходной мощностью около 5 мВт. Этот сигнал непосредственно подавался на два фотопроводящих переключателя без какой-либо дополнительной оптической обработки. В данной конфигурации свободно работающий микрогребневый лазер потребляет только электрическую мощность, необходимую для работы накачки EDFA на длине волны 980 нм, которая составляет менее 1.5 Вт.

Хотя для каждой точки измерения требовалось усреднение в течение нескольких секунд, полученный результат демонстрирует основное преимущество платформы — ее совместимость с коммерческими фотопроводящими ТГц-системами. Форма импульса имеет выраженный одноцикловый характер и хорошо соответствует дифференциальному импульсу, ожидаемому согласно уравнению №1. Длительность между пиковыми значениями, соответствующая половине цикла, составляет порядка 1.5–2 пс. Это согласуется с типичной длительностью выходных импульсов гребня, составляющей приблизительно 500 фс. Важно отметить ограничения, обусловленные использованием стандартных коммерческих компонентов. Коммерческие ТГц-фотопроводящие переключатели, подобные использованным в данном эксперименте, рассчитаны как резонансные антенны для обычных импульсных лазеров с частотой повторения порядка 100 МГц, что значительно ниже ∼ 50 ГГц у используемого микрогребневого источника. Кроме того, вне субтерагерцового диапазона эффективность преобразования таких устройств снижается, что указывает на значительный потенциал для дальнейшего повышения эффективности. Для более полной диагностики и частичного устранения этих ограничений ученые выполнили фильтрацию и усиление гребня, чтобы повысить отношение сигнал/шум (SNR).

Нормированные амплитудные спектры Фурье, полученные для односолитонного (1d) и двухсолитонного (1e) режимов, демонстрируют гребенчатую структуру генерируемого сигнала миллиметрового диапазона. В односолитонном режиме на 1d непосредственно наблюдается набор гармоник, разделенных частотой повторения микрогребня. В двухсолитонном режиме (1e) общий межлинейный интервал сохраняется, однако огибающая гармоник перераспределяется вследствие интерференции между задержанными солитонными импульсами.

Изображение №2

Выше представлен обзор характеристик системы в односолитонном режиме. На 2a показано долговременное поведение микрогребня: оптический спектр регистрировали в течение примерно одного часа. Сигнал TDS был реконструирован во временном окне более 500 пс, охватывающем приблизительно 25 импульсов при частоте повторения микрогребня ∼ 50 ГГц. Примечательно, что, несмотря на обычно низкую скорость сканирования в TDS, микрогребень LCS демонстрировал высокую стабильность на протяжении всего измерения — около 6000 отсчетов при времени интегрирования синхронного усилителя порядка одной секунды. Это отражает присущую такой системе способность к самовосстановлению. На 2a и 2b показано, что спектральные характеристики оставались стабильными в ходе сканирования, а в TDS-сигнале (2b) наблюдался лишь медленный дрейф постоянной составляющей. Форма импульса поля, показанная в увеличенном виде на 2c, типична для TDS на основе фотопроводящих элементов и напоминает производную импульса — вейвлет Рикера. Соответствующий нормированный амплитудный спектр Фурье демонстрирует измеряемую полосу частот свыше 600 ГГц в пределах динамического диапазона системы регистрации. В спектре разрешаются десять гармоник частоты повторения ∼ 50 ГГц, обеспечивая хорошее покрытие субтерагерцового диапазона.

Затем ученые исследовали возможности системы по управлению и перестройке излучения миллиметрового частотного гребня. Многосолитонные состояния обычно проявляются в виде неэквидистантных последовательностей импульсов, а методы формирования и управления спектром на основе солитонных кристаллов хорошо изучены в работах по микрогребням. Простейшим случаем является двухсолитонное состояние, спектр которого непосредственно зависит от относительной задержки между двумя солитонными импульсами. Результаты на 1e демонстрируют существенно иное спектральное распределение по сравнению с односолитонным состоянием.

Изображение №3

Выше представлен более подробный анализ двухсолитонного состояния, наблюдаемого по автокорреляционным зависимостям: на 3a показана их временная эволюция, на 3b — отдельная автокорреляционная кривая, а на 3c — реконструированный профиль интенсивности. Относительная задержка между солитонами составляла 6.4 пс, то есть приблизительно 32% периода. Многосолитонные состояния склонны фиксироваться на дефектах резонатора и сохранять свою конфигурацию при отсутствии сильных возмущений. В данном случае состояние оставалось стабильным на протяжении всего 30-минутного сканирования, что видно как по эволюции автокорреляции (3a), так и по спектрам, зарегистрированным оптическим анализатором спектра (OSA; 3d). В результате формировался стабильный миллиметровый сигнал, показанный на 3e.

При рассмотрении одного периода на 3f наблюдаются три импульса с доминирующим центральным пиком. Численно рассчитанная форма сигнала на 3g, полученная дифференцированием последовательности импульсов на 3c, соответствует эффективному генерирующему полю, создаваемому двухсолитонным состоянием. Однако система TDS регистрирует свертку этого поля с последовательностью оптических импульсов, показанной на 3c. Результат такой свертки, рассчитанный согласно уравнению №2, представлен на 3h и хорошо согласуется с экспериментальным TDS-сигналом.

Нормированный амплитудный спектр Фурье, полученный из зарегистрированных TDS-данных и показанный на 3i, содержит характерные признаки интерференции. Снижение выраженности некоторых гармоник в зарегистрированном спектре не связано с их подавлением непосредственно в источнике. Оно возникает вследствие временной свертки, присущей процессу регистрации TDS: излученное поле дискретизируется последовательностью оптических импульсов, поэтому регистрируемый спектр фильтруется конечной временной структурой импульсов выборки, как показано моделью на 3h.

Изображение №4

Выше показана различная динамика солитонов LCS во время очень длительного TDS-сканирования, при котором лазер находился под воздействием внешних возмущений и самостоятельно переходил между различными состояниями. Интересно, что при выборе рабочей точки на границе между односолитонной областью и многосолитонным состоянием в пространстве параметров — обычно связанном с высоким усилением и расстройкой основного резонатора — систему можно оставить в условиях относительно слабой температурной стабилизации, позволив ей постепенно дрейфовать и тем самым наблюдать такие переходы. Даже в этих условиях система демонстрировала высокую стабильность в течение нескольких десятков минут, а переходы между состояниями были отчетливо выражены и происходили при существенных внешних возмущениях.

В ходе сканирования ученые отслеживали эволюцию автокорреляции (4a), которая выявила переходы от фундаментальных солитонов к двухсолитонным состояниям и солитонным молекулам. На 4b показано реконструированное поле миллиметрового диапазона. Были выделены три различных двухсолитонных состояния. В области I наблюдалось двухсолитонное состояние с равномерным расположением импульсов и относительной задержкой 10 пс. В области II импульсы были расположены неравномерно, а относительная задержка составляла 6.6 пс. В области III также наблюдалось неравномерное расположение импульсов с относительной задержкой 5.6 пс. В области IV система переходила в односолитонное состояние.

На вставках к 4c сравнивается измеренная динамика поля импульса (синяя кривая) с динамикой, рассчитанной по автокорреляции с использованием простой биполярной импульсной характеристики антенны (желтая кривая). Хорошее согласие подтверждает, что наблюдаемая динамика поля действительно отражает характер каждого из состояний. Очевидно, что динамика солитонов влияет на ТГц-излучение: каждому переходу между состояниями соответствуют заметные изменения как фазы, так и спектрального состава сигнала.

Изображение №5

Выше исследуется, как стабилизация частоты повторения микрогребня LCS в гигагерцовом диапазоне влияет на характеристики оптического источника и реконструированные измерения TDS в субтерагерцовом диапазоне. Фазовый шум свободно работающей частоты повторения ∼ 50 ГГц показан на 5a черной кривой. В этом режиме интегральный временной джиттер (5b), рассчитанный в диапазоне от 1 МГц до 10 Гц, составляет ∼ 6.3 пс, однако на него существенно влияет выраженное низкочастотное колебание около 400 Гц. В диапазоне 600 Гц–1 МГц джиттер остается значительно ниже ∼ 150 фс (5b). Этот конкретный вклад шума можно сравнительно легко подавить механической стабилизацией. В данной системе ученые использовали пьезоэлектрический растяжитель волоконного резонатора и синхронизировали частоту повторения с микроволновым опорным сигналом, стабилизированным по GPS, посредством электрооптического преобразования частоты вниз.

После стабилизации источника (фазовый шум показан красной кривой на 5a) его долговременная стабильность существенно улучшилась. При этом высокочастотный вклад в диапазоне 100 кГц–1 МГц изменился лишь незначительно — примерно с 79 до 75 фс. Таким образом, стабилизация практически не повлияла на кратковременные характеристики системы. Интегральный временной джиттер снизился до значений менее ∼ 150 фс во всем рассматриваемом диапазоне, что показывает почти полное подавление низкочастотной составляющей шума. Еще нагляднее этот эффект проявляется в девиации Аллана, представленной на 5c. Важно отметить, что в данном эксперименте как схема преобразования частоты повторения вниз, так и электроника системы стабилизации были привязаны к одному и тому же опорному источнику, стабилизированному по GPS. Поэтому девиацию Аллана на 5c следует интерпретировать как стабильность измерения частоты повторения относительно этого опорного сигнала вплоть до известного уровня стабильности GPS-стабилизированного источника — порядка нескольких единиц на 10⁻¹² при времени усреднения от 1 до 100 с. Ниже этого уровня полученные значения следует рассматривать лишь как показатель когерентности передачи в цепочке «стабилизированный гребень — система считывания», то есть как характеристику качества стабилизации, а не как независимое измерение абсолютной стабильности.

Стабилизация не оказывала заметного влияния на TDS-сигнал миллиметрового частотного гребня, включая выходную мощность, форму спектра и эффективность преобразования, как показано на примере на 5d. В свободно работающем режиме копии импульсов сохраняли взаимную когерентность во всем временном окне TDS-сканирования длительностью около 500 пс. Иными словами, для реконструкции TDS-сигнала не требуется точное совмещение путей генерации и регистрации в единственной точке нулевой задержки. В данной системе ученые подтвердили точную реконструкцию ТГц-сигнала при различии оптических путей между копиями импульсов, подаваемыми на генерирующую и детектирующую антенны, вплоть до 8 м. Это соответствует задержке около 27 нс и более чем 1000 периодам следования импульсов. При таких задержках статистически значимых изменений спектра миллиметрового диапазона обнаружено не было. Остаточные изменения амплитуды были связаны с дрейфом мощности (5e). Таким образом, даже без стабилизации гребень сохраняет достаточную устойчивость для практической спектроскопии при задержках, соответствующих многометровым оптическим путям. При этом стабилизация частоты повторения, широко используемая в метрологии оптических частотных гребней, может быть непосредственно применена и к данной платформе миллиметрового диапазона. В этом смысле полученные результаты демонстрируют совместимость системы с прецизионным управлением частотой.

Изображение №6

Чтобы проверить, передается ли стабилизация, заданная опорным сигналом, не только основной линии биений, ученые измерили выбранные гармоники частоты повторения оптического гребня на частотах 50, 100 и 150 ГГц с помощью электрооптической гетеродинной схемы преобразования частоты вниз. Для каждого измерения частоту модуляции выбирали таким образом, чтобы исследуемая гармоника переносилась в доступный радиочастотный диапазон сигнала биений (графики выше). При включенной стабилизации частоты повторения отклонения показаний частотомера оставались близкими к нулю, а девиация Аллана уменьшалась по сравнению со свободно работающим режимом. Это подтверждает, что каждая линия генерируемого ТГц-гребня формируется соответствующей гармоникой частоты повторения оптического гребня, стабилизированной относительно опорного сигнала.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали прямую генерацию частотного гребня миллиметрового диапазона в основной полосе частот субтерагерцового диапазона посредством фотопроводящего преобразования микрогребня на основе солитонов лазерного резонатора. Высокая долговременная стабильность источника позволяет использовать стандартное коммерческое оборудование ТГц-TDS, а благодаря высокой спектральной эффективности микрогребня система может работать напрямую, без дополнительного усиления, при сравнительно небольшой оптической мощности импульсов (~ 5 мВт) и низкой электрической мощности накачки (< 1.5 Вт).

Работа в свободном режиме с низким временным джиттером позволяет использовать TDS при менее строгих требованиях к синхронизации, что было продемонстрировано для задержек, охватывающих тысячи периодов импульсов. Таким образом, полученные результаты демонстрируют совместимый с микрогребнями подход к широкополосной фотопроводящей генерации одноциклового миллиметрового частотного гребня без смещения несущей относительно огибающей. Экспериментально показанные возможности открывают несколько перспективных направлений, включая широкополосную калибровку, многотональную спектроскопию, TDS-системы с менее жесткими требованиями к синхронизации и параллельные линии связи миллиметрового диапазона.

Стабилизация частоты повторения дополнительно подтверждает совместимость системы с прецизионным управлением частотой, тогда как многосолитонные состояния обеспечивают простой способ перестройки огибающей гармоник генерируемого гребня непосредственно на уровне источника.

В дальнейшем усовершенствование конструкции антенн и более тесная интеграция с фотонными и антенными платформами должны повысить эффективность преобразования и сделать систему еще более компактной.

Немного рекламы

Спасибо, что остаетесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?