以下文章来源于中国光学 ，作者Light新媒体
撰稿：张伟鹏（普林斯顿大学，博士生）
本文由论文作者团队（课题组）投稿
随着无线通讯技术的不断发展，用户数量和通讯速率需求也在不断增加。
下一代无线技术一方面使用更高更广的信号带宽，如5G/6G和毫米波通讯技术，另一方面则将已有的频谱资源最大化复用，如多输入输出技术（MIMO）。
虽然通过空间复用技术增强了数据承载能力，但是密集排列的信道之间不可避免的串扰会严重降低通讯的信号质量。
这种负面影响也会波及天气预报和射电天文等科学服务。这些科学活动需要以极高的灵敏度在由物理现象决定未知频率上探测微弱信号，但往往会淹没于受到周围其他射频源的干扰噪声中，难以通过传统滤波技术解决，影响科学服务的正常进行。
图1：光子处理器和电子处理器的对比
图源： Nat Commun 14, 1107 (2023). fig. 1
光波是一种频率为数百太赫兹的电磁波。将微波射频信号调制在光波上可以利用光学信号处理手段，在单一系统上实现超宽信号处理带宽，这也让光学信号处理成为应对未来无线通讯需求的重要技术平台。
鉴于此，近日，普林斯顿大学Paul Prucnal教授课题组张伟鹏（Weipeng Zhang）博士等研究人员，利用基于硅光子学芯片的盲源分离手段，成功实现了宽带射频无线信号干扰的抑制。
他们使用单一光芯片系统，有效地抑制20 GHz以内的射频干扰，实现大于15dB的信噪比提升，为未来无线通信技术做提供重要技术铺垫。
该成果发表在Nature Communications，题为“Broadband physical layer cognitive radio with an integrated photonic processor for blind source separation”。普林斯顿大学张伟鹏博士为论文的第一作者。张伟鹏博士以及Paul Prucnal教授为共同通讯作者。
本篇论文详细介绍了他们如何利用基于硅光子芯片的微波处理器，结合盲源分离技术，成功解决了宽带射频通讯干扰的问题。
盲源分离技术
为了应对这类棘手问题，该研究采用硅光子芯片实现了盲源分离技术（BSS），成功抑制了19.2 GHz以内的射频干扰，并获得高信噪比的原始信号。
该技术方案仅需对接收信号进行统计特性分析，可以在对干扰源没有任何先验知识的情况下从接收到的混合信号中分离出原始信号。
这也就是说，BSS技术具备独特的灵活行，适用于科学服务中那些频率未知的微弱信号，同时也适用于无线通讯中任意载波频率、数据速率和调制方式的复杂信号。有望应用于民生、交通、军事等多个领域。
光学信号处理器
该研究采用微腔权重库（MRR）作为片上信号处理元件，以光传播的速度将加载在光波上的混合信号进行分离出原始信号所需的加权求和处理，处理延时小于10纳秒。此外，与传统电子信号处理芯片相比，该硅光芯片的能耗与所处理的信号频率无关，大大降低所需功率至低于10mW。同时，微腔权重库是一种波分复用器件，即每个微腔可独立对特定波长的激光器进行加权处理。
这种特性简化了光芯片的扩展，可以轻松应对未来实际应用中处理高密度多通道信号的挑战。
图2：实验装置示意图，实物图及硅光芯片照片
图源： Nat Commun 14, 1107 (2023). fig. 2
高精度光芯片控制
同时，该研究克服了光芯片技术通常易受环境波动影响的脆弱性。
研究采用了一种新开发的抖动控制方法，通过已知的抖动参考信号实时测量每个微腔的实际权重，实现高达9位的加权精度。这种方法表现出和电子芯片相媲美的性能。准确的控制精度保证了原始信号恢复的良好效果，实现了高于15分贝、最大可达40分贝的信噪比提升。
图3：信号分离结果，星座图及实验测试环境
图源： Nat Commun 14, 1107 (2023). fig. （3-4）
未来展望
该研究将硅光芯片技术的独特优势应用于解决微波射频领域的实际问题，验证了光学处理技术路线在带宽、速度、能耗等多个方面的优势，体现了光芯片在未来射频处理技术中的应用潜力，为未来信号处理技术以及下一代无线通信的发展提供了新的技术平台和思路。
论文信息
Zhang, W., Tait, A., Huang, C. et al. Broadband physical layer cognitive radio with an integrated photonic processor for blind source separation. Nature Communications 14, 1107 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41467-023-36814-4
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