Projecte financiat per la Conselleria d'Educació, Investigació, Cultura i Esport
Programa Prometeu 2017 per a grups d'investigació d'excel.lència amb número de referència PROMETEO/2017/103
RESUMEN DEL PROYECTO
El objetivo global del presente proyecto es proseguir la senda de investigación, desarrollo e innovación de primer nivel de excelencia mundial en el campo de la Fotónica de Microondas iniciada en el proyecto PROMETEO TECNOLOGIAS Y APLICACIONES AVANZADAS Y EMERGENTES DE LA FOTONICA DE MICROONDAS (GVA-2008-092) y continuada en el proyecto PROMETEO TECNOLOGIAS DE NUEVA GENERACION EN FOTONICA DE MICROONDAS (GVA-2013-012). Para ello se propone trabajar en tres líneas de investigación. Las dos primeras son Fotónica de microondas integrada y Técnicas avanzadas para Fotónica de Microondas. Estas líneas, cuyo trabajo ya se comenzó en parte en el proyecto GVA-2013-012 son estratégicas por su aplicabilidad en nuevos campos emergentes y con un impacto potencial masivo a medio plazo, como son las comunicaciones inalámbricas 5G, internet de las cosas, la conducción autónoma, etc. Se pretende aprovechar el elevado grado de conocimiento, madurez y experiencia científica única adquirida por el grupo proponente para mantener el liderazgo mundial en este campo. La tercera línea se centra en el empleo de los resultados obtenidos en las dos anteriores en campos de aplicación que se consideran fundamentales a partir del año 2020. Entre ellos cabe destacar muy particularmente las comunicaciones 5G, el sensado distribuido remoto, internet de las cosas, la conducción autónoma y los sistemas de inspección y vigilancia basados en reflectometría para aplicaciones de seguridad y biomédicas. El grupo proponente, Photonics Research Labs del Instituto Universitario de Investigación de Telecomunicación y Aplicaciones Multimedia (iTEAM) de la Universitat Politécnica de Valencia es líder mundial en el campo de la Fotónica de Microondas y el hilo conductor de su actividad en este proyecto será el de su alto valor estratégico, así como el compromiso de que ésta se realice dentro de la primera línea internacional y, si es posible, sea transferible al sector socioeconómico valenciano, bien a través de cesión de propiedad intelectual o bien mediante la creación de empresas de base tecnológica.
OBJETIVOS
Objetivo 1: MWP Integrada
La óptica integrada proporciona la posibilidad de cambiar las reglas de escala de los sistemas TIC de banda ancha a través del diseño y selección de las arquitecturas de chip que combinen, de forma adecuada las partes fotónica y electrónica consiguiendo con ello la optimización en prestaciones de consumo de potencia, tamaño y costes de producción. La ganancia inmediata que se obtiene al emplear esta tecnología es la reducción drástica en área ocupada y el peso del sistema en cuestión. Como es natural, su adopción en el campo de la Fotónica de Microondas, conocida como Integrated Microwave photonics (IMWP), aporta también considerables beneficios.
El objetivo de la IMWP es la integración de componentes, subsistemas y sistemas MWP en chips fotónicos, ya sean monolíticos o híbridos. La mayor parte de la actividad en IMWP hasta la fecha se ha centrado en los denominados circuitos fotónicos de aplicación especifica o ASPICs (Application Specific Photonic Integrated Circuits) donde una arquitectura particular de chip se diseña y fabrica para realizar una funcionalidad
particular. Se ha demostrado hasta la fecha varias funcionalidades de MWP empleando ASPICS en diversas plataformas tecnológicas y con un grado diverso, pero en su mayoría muy bajo, de integración de componentes fotónicos (de un 20%). Solo muy recientemente, y en el marco de las actividades del proyecto PROMETEO TECNOLOGIAS DE NUEVA GENERACION EN FOTONICA DE MICROONDAS (GVA-2013-012) se ha conseguido el primer chip de IMWP con un 100% de integración de componentes fotónicos (en este caso, la funcionalidad demostrada ha sido la de filtrado sintonizable de microondas). No obstante, pese a ser un paso muy importante y pionero a nivel mundial, al tratarse de un primer diseño, sus prestaciones están lejos de ser las óptimas en muchos aspectos. El desafío para avanzar en el estado del arte consiste en primer lugar en mejorar las prestaciones de los ASPICs de IMWP a través de un intenso trabajo en materiales y plataformas de fabricación (empleando materiales pasivos con las menores pérdidas de propagación posibles y activos con las posibilidad de amplificación y generación de luz) por una parte y, por otra, en su diseño funcional y, en particular en su operación reconfigurable en aplicaciones que son de especial relevancia como el filtrado, las líneas de retardo, la generación de señales ópticas multiportadora y arbitrarias.
Un segundo desafío consiste en diseñar una única arquitectura común de chip que pueda llevar a cabo múltiples funcionalidades mediante programación, de forma análoga al funcionamiento de un dispositivo FPGA (Field Programmable Gate Array) en electrónica. En el seno del proyecto PROMETEO TECNOLOGIAS DE NUEVA GENERACION EN FOTONICA DE MICROONDAS (GVA-2013-012) hemos diseñado y desarrollado un primer prototipo basado en una malla hexagonal de 7 celdas compuestas por guiaondas de Silicio.
Con este prototipo se ha conseguido demostrar alrededor de 20 funcionalidades de procesamiento de señal, pero está limitado en tamaño por las pérdidas de propagación en el material. Nuestra propuesta consiste en aprovechar las bajas pérdidas del SiNx para implementar un chip de escala intermedia con un mayor número de celdas de proceso y demostrar así un mayor rango de funcionalidades.
Objetivo 2: Técnicas y sistemas de MWP avanzados
Mientras que inicialmente la actividad en MWP se enfocó hacia las aplicaciones en el sector de la defensa, ésta se ha ampliado durante los últimos 10 años para abarcar un número considerable de aplicaciones civiles, incluyendo las comunicaciones celulares, inalámbricas y entre satélites, la televisión por cable los sistemas de antenas distribuidas el procesado óptico de señales y los sistemas de imagen médica. Muchas de las técnicas, dispositivos y sistemas de MWP que hoy en día se emplean para estas aplicaciones de carácter civil se basan en las desarrolladas en su día precisamente para defensa. Al ser los requisitos de ambos sectores
bastante diferentes (en el sector militar es más importante un sistema robusto y muy preciso aunque no pueda reconfigurarse siendo el coste un aspecto secundario, mientras que en el civil es todo lo contrario) el resultado es, frecuentemente, que dichas técnicas, dispositivos y sistemas son de coste elevado e ineficientes en cuanto a funcionalidad y consumo de potencia. Para solventar este problema es necesario generar nuevo conocimiento o refinar de manera casi radical el ya existente de forma que los sistemas puedan basarse en componentes fotónicos de bajo coste ya empleados en comunicaciones digitales y de manera que su diseño atienda a los requisitos impuestos por estas aplicaciones emergentes, muy especialmente en lo que atañe al elevado ancho de banda y margen dinámico, tamaño y peso reducido, bajo consumo y que ofrezcan una gran flexibilidad en términos de sintonizabilidad y reconfiguración.
Dos ejemplos paradigmáticos de sistemas avanzados de MWP son los generadores de señales de RF en bandas milimétricas para su explotación en las futuras comunicaciones móviles 5G y los conversores analógico digitales (ADCs) fotónicos que son bloques esenciales en sistemas de exploración electromagnética. En el caso de las comunicaciones 5G se necesita desarrollar generadores que, ubicados en la estación central sean capaces de producir señales de RF de frecuencias comprendidas entre (24 GHz – 90 GHz) y distribuirlas a las estaciones base. En el caso de los sistemas de exploración electromagnética, aunque la aplicación militar ha sido dominante durante muchos años, hoy en día su empleo en aviación civil y su más que probable necesidad en el soporte de los sistemas de conducción autónoma, el sensado remoto y la instrumentación de elevado ancho de banda hace que cada vez sean precisos sistemas de frecuencia más elevadas. Por ejemplo, en aplicaciones de conducción autónoma (Smart Car) será necesario integrar soluciones flexibles de exploración radar para detectar objetivos ocultos (fundamentalmente a 24 GHz) y para las tareas propias de control de la conducción (fundamentalmente a 77 GHz). Para ello es necesario disponer de conversores ADC con gran ancho de banda (>40Ghz) y jitter temporal muy reducido (<15 fseg), una solución que solo es posible empleando tecnología MWP para implementar radares fotónicos.
Objetivo 3: Aplicaciones y transferencia
Con independencia de la relevancia de los objetivos anteriormente expuestos y su importancia a corto y medio plazo, es importante poder explorar su viabilidad en algunas aplicaciones emergentes, así como el considerar su posible transferencia al sector industrial valenciano.
El primer ámbito de aplicación está relacionado con la línea de investigación de sensores fotónicos que aprovechan las ventajas inherentes de la Fotónica de Microondas y que lleva produciendo excelentes resultados tanto desde el punto de vista científico como de la transferencia de conocimientos desarrollada durante los últimos años en el seno del PRL, gracias en parte a las actividades realizadas dentro del anterior programa PROMETEO GVA-2013-012.
Un segundo ámbito de aplicación son las comunicaciones 5G. La proliferación reciente de dispositivos conectados a internet, bien para fines personales (wearable devices), públicos (smart cities), privados (domótica) y en general, para uso profesional (smart devices, data center, etc.), y como consecuencia, el nacimiento de Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT), provoca un aumento de capacidad estimada en un factor 1000 para las redes de comunicaciones inalámbricas de quinta generación (5G) respecto a las redes 4G. El desarrollo de dispositivos, tecnologías y arquitecturas
para las redes de comunicaciones inalámbricas de quinta generación (5G) se convierte en objetivo estratégico con el fin de facilitar velocidades de 5 a 10 Gb/s al usuario final. La necesidad de un uso eficiente del espectro determina la búsqueda de portadoras en la región espectral de las ondas milimétricas de radiofrecuencia entre 3 y 300 GHz y constituye un reto para las comunicaciones inalámbricas 5G, que aumentarán el ancho de banda disponible a la vez que permitirán el acceso dinámico a un gran volumen de información incluyendo la transmisión de vídeo y audio de alta definición. En concreto, la banda de frecuencias entorno a 60 GHz, todavía sin licencia, ha despertado enorme interés para transmitir varios Gb/s a través de enlaces inalámbricos, a pesar de que la gran atenuación de la señal a dicha frecuencia implica arquitecturas de red con celdas muy pequeñas (picoceldas). Otros ejemplos recientes, demuestran la transmisión de 1Gb/s empleando frecuencias portadoras de 28 y 39 GHz en el espacio libre a través de distancias de 200 m. Sin embargo, el aumento de la distancia de transmisión requiere la convergencia de las comunicaciones inalámbricas con las redes de comunicaciones por fibra óptica a través de enlaces de acceso híbrido de señales de ondas milimétricas sobre fibra óptica (MMWoF), que transmiten señales inalámbricas de alta velocidad a una gran cantidad de puntos de acceso inalámbricos, asegurando un radio de cobertura optimizado para usuarios fijos y móviles. Precisamente, la aplicación comercial predominante de la tecnología de Fotónica de Microondas es el transporte y distribución de señales de radiofrecuencia sobre la fibra óptica, que presenta actualmente nuevos retos y oportunidades para transmitir el tráfico de datos a velocidades elevadas con una variedad de servicios y estándares emergentes a la vez que garantiza calidad de servicio y bajo coste.
El tercer ámbito de aplicación es el RADAR fotónico. Como se ha comentado anteriormente, estos sistemas están llamados a desempeñar un papel fundamental en aplicaciones civiles y, muy particularmente en aquellas relacionadas con el transporte y el sensado remoto. El objetivo que se propone aquí es aprovechar el conocimiento generado en el desarrollo de nuevos ADCs dentro del subobjetivo 2.2 para implementar un radar fotónico para frecuencias superiores a 40GHz que incorpore una parte principal de su hardware implementado en un chip fotónico integrado.
Fotónica de Microondas Team
Beatriz Ortega
Salvador Sales
Daniel Pastor
Pascual Muñoz
José Capmany
