Кремниевый фотонный чип поворачивает 10-ГГц луч задержкой света
Чтобы наклонить луч четырёх антенных элементов на 30°, соседние каналы должны расходиться по времени примерно на 25 ps. В лабораторной установке VTT эти пикосекунды не формировали электрическими линиями на печатной плате. Модулированный 10-ГГц радиосигнал отправили в свет, провели по разным маршрутам внутри кремниевого кристалла, вернули четырьмя фотодетекторами в RF и подали на патч-антенны.
Пикосекунды, которые задают направление
Такой узел называют optical true-time delay, OTTD. Фазовращатель выставляет фиксированный угол фазы для выбранной несущей. У реальной временной задержки каждый спектральный компонент ждёт одинаковое время, поэтому направление луча не должно уплывать с частотой из-за beam squint. Именно это свойство делает архитектуру интересной для широкополосных решёток, хотя в данном опыте авторы показали передачу на единственной несущей 10 GHz и не снимали угол луча по диапазону частот.
32 маршрута света в каждом канале
На 3-µm SOI-платформе VTT изготовлен четырёхканальный 5-битный чип. В каждом канале пять двоично-взвешенных секций задержки дают 32 кода в диапазоне 0–101 ps; измеренный квант составляет около 3.258 ps. Максимальная разность путей требует примерно 8.122 mm кремниевого волновода. Это много для RF-тракта на плате, однако на фотонном кристалле такая линия складывается в компактный маршрут. Нулевой код тоже проходит через геометрически сопоставимый reference arm: переключатели выбирают разность оптических путей, сохраняя баланс структуры.
Маршруты выбирают каскады MZI 2×2 на MMI-делителях с термооптическими фазовращателями. Extinction ratio одного переключателя между состояниями bar и cross превысил 25 dB. Полная задержка добавила 1.8 dB потерь на канал, причём авторы связывают большую их долю с двенадцатью MMI в тракте, примерно по 0.15 dB на элемент. Стыковка волокна с чипом внесла ещё 2.2 dB на каждую грань. Термооптическая настройка остаётся тяжёлой частью решения: около 25 mW указаны как Pπ одного фазовращателя, а измеренной суммарной мощности всей системы работа не приводит.
Коды задержки дошли до антенн
В radio-over-fiber стенде CW-лазер на 1550 nm, MZM-модулятор и чип питали линейную решётку из четырёх патчей с шагом около 3 cm. Для расчётного направления +30° требовались задержки 0/25/50/75 ps. Квантование чипа дало реальные коды 0/26/48.8/74.9 ps и расчётное отклонение направления около 0.3°. По 16-QAM со скоростью 100 MBaud EVM выросла с 7.8% в broadside до 9.1% при сканировании на 30°. Приёмные horn-антенны на расстоянии 5 m зарегистрировали смену пространственного направления; разность принятой мощности между фиксированными положениями превышала 50 dB.
Установка пока состоит из лазера, внешнего модулятора, фотодетекторов, RF-усилителей и множества DC-каналов для MZI. Ограничение примерно после 35° также пришло от широкого паттерна применённого патч-элемента и scan loss, а не от исчерпания 101-ps диапазона. Красота результата в другом: пикосекундная геометрия луча оказалась программируемой функцией маршрута света на кремнии. Для будущего широкополосного front-end это открывает путь, где RF-решётка получает синхронность из фотонной схемы, а не из набора частотно-зависимых фазовых поправок.