Er past steeds meer functionaliteit voor het processen en analyseren van hoogfrequente radiosignalen op compacte photonic integrated circuits. Een Twentse oplossing voor het bundelkwispelprobleem baart daarbij opzien. Optische ringresonatoren laten signalen een strafrondje lopen. ‘De chip maakt de coax-kabel langer en korter waar nodig’, zegt dr. ir. Chris Roeloffzen van de vakgroep Telecommunication Engineering aan de Universiteit Twente.
Enschede –
Kleine antennes, keurig in rijen gelegd, kunnen hoogfrequente signalen ontvangen en versterkt doorgeven. Bundelvormende technieken onderdrukken daarbij signalen uit ongewenste richtingen. Voor veel dataverkeer is dit al een mooie, lichtgewicht oplossing waar op basis van elektronica de amplitude- en faseverschillen controleerbaar zijn. Dat geldt nog niet voor breedbandtoepassingen met veel dataverkeer per tijdseenheid op de zogenoemde Ku-band (van 10,7 – 12,75 GHz), de satelliet frequenties.
Het beroemde bundelkwispelprobleem (squint-probleem) speelt hier op. Omdat de straalrichting varieert per radiofrequentie kunnen de signalen - die schuin binnenkomen aan het antenneoppervlak - uit fase gaan lopen. Door de vele uitdovingen gaat onacceptabel veel informatie verloren.
Onze benadering om dit probleem op te lossen is bijzonder, zegt onderzoeker dr. ir. Chris Roeloffzen. ‘Op een photonic integrated circuits chip zijn wij in staat de lichtsignalen te vertragen door in serie geschakelde optische ringresonators. De chip maakt de coax-kabel als het ware langer en korter waar dat nodig is. Bepaalde lichtsignalen lopen in de chip een strafrondje, naar analogie van de biatlonsport. We corrigeren niet voor het faseverschil maar vertragen het hele lichtsignaal werkelijkheidsgetrouw, zonder dat teveel energieverlies optreedt.’
De optische ringresonatoren zijn integreerbaar op een optische chip. Een slim thermo-optisch mechanisme zorgt daarbij voor de afstemming. Om dat voor elkaar te krijgen werkt Roeloffzen nauw samen met het UT spin-off bedrijf LioniX BV dat de optische chip heeft ontworpen en gefabriceerd. Hun TriPleX ™ optische golfgeleider technologie maakt het mogelijk om licht op kleine schaal te bewerken zonder grote energieverliezen.
Roeloffzen: ‘Het is een mooie techniek die gebruik maakt van zuivere glaslagen zonder onregelmatigheden en van goed gedefinieerde lichtgeleiders gemaakt met gangbare CMOS [Complementary Metal Oxide Semiconductor] technieken die de grenzen van de technologie opzoeken. Het hele netwerk van lichtgeleiders en ringresonatoren past op een chip ter grootte van een munt van 20 eurocent. We hebben uitgebreid aangetoond dat het principe werkt.’
Behalve de ringresonators hopen de onderzoekers de komende jaren ook alle overige componenten te miniaturiseren. Promovendus ir. Maurizio Burla legt de laatste hand aan zijn proefschrift hierover. Andere functionaliteiten zijn nodig om de signalen voor te bewerken en aan het eind weer klaar te maken voor doorgifte, aldus Burla. ‘Het is de uitdaging alle stappen op die ene chip te krijgen. In het begin van de chip switch je van hoge radiofrequente golven naar optische signalen voor de beamforming technieken, en dan weer terug naar de radiofrequente signalen. Dan is de cirkel rond. Voor de schakelingen die dat mogelijk maken zijn nu nog relatief grote glasvezelkabels nodig. Behalve onhandig groot zijn die vooral onacceptabel qua kosten.’ Vertragers, fasedraaiers en filters zijn al op één chip te integreren door gangbare CMOS fabricage technieken te gebruiken.
Roeloffzen is overtuigd van de marktpotentie van de originele Twentse aanpak. In het bedrijf Satrax is het intellectuele eigendom ondergebracht. Met dit bedrijf wil hij op termijn platte antennesystemen met fotonische signaalbewerking op de markt brengen, bijvoorbeeld inbouwbaar in de rondingen van vliegtuigvleugels. Door de fotonische sturing werkt het antennesysteem zonder bewegende delen.
