Optical beamforming networks for next generation mobile communication systems

Abstract

The 5G vision for a fully mobile and connected society defines a set of performance requirements for next-generation wireless networks, which is very broad and demanding and is still unfulfilled. Compared to the current generation, different system performance indicators are required for the 5G communication systems, including peak data rates on the gigabit per second level, end-to-end latencies in the order of a few milliseconds, very high traffic volume density, and improved spectral, energy, and cost efficiencies. With these requirements on the table and in particular, because of the huge growth of mobile data demand, it has become apparent to the research community that the very limited spectrum resources available in the sub 6-GHz band can no longer meet the system needs. Therefore, high-speed mobile communication systems at frequencies above 6 GHz became a promising path. However, as the operating frequency shifts deeper into the millimetre band, the system performance starts to deteriorate due to the severe free-space loss and blockage effects experienced by the electromagnetic signals at these bands. To overcome this hurdle, high-gain antenna arrays with hundreds or even thousands of antenna elements can be deployed, forming very directional beams which greatly enhance the signal-to-noise ratio. However, these beams provide only limited spatial coverage, which is not compliant with a dynamic environment with multiple users. Within this context, beamforming, a well-known functionality in modern wireless networks thanks to its ability to steer a single or multiple wireless beams to a user or group of users that should be served at each point of time, is expected to become even more important. Both in the case of single- and the case of multi-beam operation, beamforming networks apply proper excitation signals to each antenna element with time delays that correspond to the intended beam directions. In current beamforming networks operating in the sub 6-GHz band, adjustment of these delays is realized in the electronic domain using digital electronic platforms, analog microwave components, or hybrid implementations. However, at higher operating frequencies the fractional bandwidth of the signals gets higher, and the number of the AEs larger, these electronic solutions start having significant limitations in terms of time delay accuracy across the signal bandwidth, insertion loss across the same bandwidth, physical size and weight, electromagnetic interference, power consumption (especially in the case of digital solutions) and cost. In order to overcome this problem, solutions based on microwave photonics (MWP) technology have been proposed as a powerful alternative for the processing of microwave or mm-wave signals and the implementation of high-performance beamforming networks in the optical domain.Within this framework, the present dissertation deals with the design, implementation, system integration, and performance evaluation of optical beamforming networks (OBFNs) for multi-element array antennas. Following a holistic and systematic approach, we start by analysing the theory that dictates the operation of such complex systems and we continue with the design, implementation, system integration as well as performance evaluation of four different OBFNs.In particular, the theoretical analysis starts from the fundamental theory of a single antenna element and continues with the theory that dictates the operation of multi-element antenna arrays. Focusing on multi-element antenna arrays following a linear geometry, the theory of the array factor is introduced. Subsequently, the concept of beamforming is introduced and how single-beam , multi-beam, and multicast operations can be theoretically achieved. At the physical layer, the BFNs can be based on either true time delay elements or phase shifters. The main difference between these two approaches is the beam squint effect which is present only in phase shifters based BFNs and leads to a frequency dependent radiation pattern. In addition to their ability to control the steering angles of the wireless beams, the BFNs can also control the power of the sidelobes thanks to a technique known as amplitude tapering which is a very important feature since it reduces the emission/reception from/to unwanted directions. Before introducing the concept of the OBFNs, a thorough analysis of the principle operation of the MWP systems is provided. The key building blocks of a typical MWP link are the laser source, the optical modulators, and the photodiode. After describing their operation and their key parameters, the key figure of merits of an MWP system, namely the link gain, noise figure, and spurious-free dynamic range, are defined. Having a solid theoretical background, the design, implementation, system integration, and performance evaluation of a 2×4 OBFN based on bulk micro-optics elements are reported. More specifically, the 2×4 TTD-OBFN is developed using commercial off-the-shelf optical modulators, optical delay lines (ODLs), optical attenuators, optical couplers, and photodiodes. It can support single-beam, multi-beam, and multicast beamforming with continuous tuning of the beam angles and feed an array antenna with four elements. The operation of the proposed OBFN is based on a number of ODLs for introducing time delays to the copies of the signals that correspond to different wireless beams and different antenna elements. As a first step, through extensive simulation studies, its principle of operation is validated and then, by using signals with high-order quadrature amplitude modulation formats at 15 GHz, the OBFN is evaluated for all three modes of operation (single-beam, multi-beam, and multicast). Leveraging the advancements in photonic integration technology, a 1×4 OBFN photonic integrated circuit (PIC) based on the hybrid integration of InP components in a Si3N4 platform is presented. The OBFN-PIC consists of a hybrid external cavity laser, two InP phase modulators, a Si3N4 SSBFC optical filter, four Si3N4 OTTDLs based on tuneable eight micro-ring resonators, and four InP photodetectors and can process microwave signals with central frequencies up to 40 GHz and impose continuously tuneable time delays over wide operating bandwidths. Apart from measuring its key figure of merits, the prototype is extensively tested using modulated signals at 5 GHz and 10 GHz and evaluated in terms of bit-error ratios, exhibiting error-free operation for all the experimental scenarios. This is the very first time that a fully functional and self-contained OBFN is evaluated within system experiments in lab settings.Especially, for application in 5G and beyond 5G mobile wireless communication networks, OBFNs that can support multi-beam operation is of utmost importance. The most promising architecture is the multi-beam optical beamforming network based on Blass matrix. However, no details have been reported until now to explain in depth the optical Blass matrix concept, describe the methods for its design, and give an insight into its expected beamforming performance. For the first time, a solid background for the design and operation of a multi-beam optical beamforming network based on Blass matrix is provided via a mathematical analysis and extensive simulation studies. The analysis starts from the processing steps that are required for the microwave photonics signals at the input and output of the Blass matrix and a simple design and an algorithm for the configuration of the matrix, taking into account the properties of the Mach-Zehnder Interferometers (MZIs) as tunable optical couplers is proposed. The multi-beam capability of the beamforming network is validated and the impact of the beam squinting effect which is inherent to this design is evaluated as a function of the symbol rate, modulation format and pulse shaping of the signals. Furthermore, assuming operation with quadrature amplitude modulation (QAM) signals at 28.5 GHz, it is proven through error-vector magnitude (EVM) calculations that the beam squinting effect is not critical in typical cases, where the symbol rate remains below 3 Gbaud. Moreover, the additional frequency dependence of the proposed beamforming network due to inevitable asymmetries of the MZIs and length variations of the waveguides inside the Blass matrix, and the additional impact of imperfections is investigated with respect to the couplers inside the MZIs and the phase shifters inside the Blass matrix. In all cases, the impact of the asymmetries and the imperfections remain negligible for realistic fabrication and operation conditions.Within the framework of the European-funded project, ICT-HAMLET, the first-ever fully integrated optical beamforming networks based on the Blass-matrix architecture were designed, fabricated, and evaluated. A 2×2 and an 8×8 optical beamforming networks have been fabricated based on the hybrid integration of the InP, PolyBoard and TriPleX photonic platforms. The optical beam forming networks are based on PZT-based phase actuators for fast and low-power configuration. Both prototypes are extensively characterized in lab settings and the main individual building blocks are evaluated. However, due to the complexity of the integration of these systems, their system characterization could not be assessed. Nevertheless, the lessons learned from these testing campaigns have been used as the starting points for the design and fabrication of the next generation of optical beamforming networks based on the Blass-matrix which is currently being developed by the successor of HAMLET, the European-funded project ICT-TERAWAY.As demonstrated in this dissertation, thanks to the advancements in photonic integrated circuit technology, MWP enables the realization of key functionalities in microwave systems that either are complex or even not directly possible in the RF domain. Among the several systems that MWP can radically transform, mobile wireless communication systems stand on top of this list, and it is expected that MWP will enable the commercial deployment of the 5G mobile communication networks as well as the next generations in beyond 5G era.

Τα ασύρματα δίκτυα πέμπτης Γενεάς (5G) βρίσκονται ήδη σε προχωρημένο στάδιο ανάπτυξης, ανοίγοντας νέους ορίζοντες όχι μόνο για το κόσμο των τηλεπικοινωνιών αλλά και για τις ανθρώπινες κοινωνίες, αφού αλλάζουν ριζικά τον τρόπο που σκεφτόμαστε, εργαζόμαστε και ακόμα πιο σημαντικά, τον τρόπο και τα εργαλεία με τα οποία αλληλοεπιδράμε με τους συνανθρώπους μας και το περιβάλλον. Σε σύγκριση με τις προηγούμενες Γενεές, τα δίκτυα 5G υπόσχονται 10 με 100 φορές πιο γρήγορες συνδέσεις στο διαδίκτυο μέσω δεδομένων, καθυστερήσεις της τάξεως μερικών χιλιοστών του δευτερολέπτου, την ταυτόχρονη υποστήριξη χιλιάδων τερματικών συσκευών, μεγάλη πληθυσμιακή κάλυψη, βελτιωμένη χρήση του φάσματος και όλα αυτά χρησιμοποιώντας λιγότερη ενέργεια και μειώνοντας το κόστος. Για να εκπληρώσει αυτές τις φιλόδοξες απαιτήσεις, έχει γίνει φανερό τόσο στους μεγάλους τηλεπικοινωνιακούς παρόχους όσο και στην παγκόσμια ερευνητική κοινότητα ότι οι περιορισμένοι φασματικοί πόροι που είναι διαθέσιμοι κάτω από τα 6 GHz δεν επαρκούν. Ως εκ τούτου, τα συστήματα κινητών επικοινωνιών υψηλής χωρητικότητας σε συχνότητες άνω των 6 GHz, θεωρούνται το μέσο όχι μόνο για την πλήρη αξιοποίηση των δυνατοτήτων των δικτύων 5G αλλά και για την ανάπτυξη των επόμενων Γενεών. Ωστόσο, όσο η συχνότητα λειτουργίας μετατοπίζεται σε υψηλότερες φασματικές ζώνες, η απόδοση του συστήματος αρχίζει να επιδεινώνεται λόγω των σοβαρών απωλειών διάδοσης. Για να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο, στοιχειοκεραίες αποτελούμενες από εκατοντάδες ή ακόμα και χιλιάδες στοιχεία πρέπει να χρησιμοποιηθούν ώστε να δημιουργήσουν κατευθυντικές δέσμες έτσι ώστε να αυξήσουν το κέρδος της ασύρματης ζεύξης και να βελτιώσουν το σηματοθορυβικό λόγο του συστήματος. Ωστόσο, αυτές οι δέσμες παρέχουν μόνο περιορισμένη χωρική κάλυψη, η οποία δεν ενδείκνυται για χρήση σε ένα γρήγορα μεταβαλλόμενο περιβάλλον με πολλούς χρήστες. Σε αυτό το πλαίσιο, ο ρόλος της λειτουργίας της σχηματοποίησης δεσμών, μιας λειτουργίας γνωστής στα σύγχρονα ασύρματα δίκτυα χάρη στην ικανότητά της να κατευθύνει μία ή περισσότερες ασύρματες δέσμες προς τις επιθυμητές κατευθύνσεις, αναμένεται να γίνει ακόμη σπουδαιότερος.Τόσο στην περίπτωση λειτουργίας μιας δέσμης όσο και στην περίπτωση λειτουργίας πολλαπλών δεσμών, τα δίκτυα σχηματοποίησης δεσμών εφαρμόζουν κατάλληλα σήματα διέγερσης σε κάθε ξεχωριστό στοιχείο μιας στοιχειοκεραίας με σχετικές χρονικές καθυστερήσεις ή σχετικές φάσεις που αντιστοιχούν στις επιθυμητές γωνίες στόχευσής των μικροκυματικών δεσμών. Στα τρέχοντα δίκτυα σχηματοποίησης δεσμών που λειτουργούν στη φασματική περιοχή κάτω των 6 GHz, η προσαρμογή αυτών των καθυστερήσεων πραγματοποιείται είτε ψηφιακά, είτε αναλογικά με τη χρήση αναλογικών μικροκυμάτων στοιχείων είτε με υβριδικές υλοποιήσεις. Ωστόσο, στις υψηλότερες συχνότητες, το εύρος ζώνης των σημάτων σε σχέση με την φέρουσα συχνότητα αυξάνεται όπως και ο αριθμός των κεραιών, με αποτέλεσμα αυτές οι ηλεκτρονικές λύσεις να αρχίζουν να έχουν σημαντικούς περιορισμούς όσον αφορά την ακρίβεια χρονικής καθυστέρησης, τις απώλειες, το μέγεθος, το βάρος, τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, τη κατανάλωση ισχύος (ειδικά στην περίπτωση ψηφιακών λύσεων) αλλά και το κόστος. Για να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο, έχουν προταθεί λύσεις που βασίζονται στην τεχνολογία μικροκυματικής φωτονικής (Microwave Photonics) ως μια ισχυρή εναλλακτική τεχνολογία για την επεξεργασία σημάτων μικροκυμάτων και την υλοποίηση δικτύων σχηματοποίησης δεσμών υψηλής απόδοσης, αμιγώς στο οπτικό πεδίο.Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διατριβή πραγματεύεται το σχεδιασμό, την υλοποίηση, την ολοκλήρωση συστημάτων και την πειραματική αξιολόγηση της απόδοσης των οπτικών δικτύων σχηματοποίησης δεσμών (Optical Beamforming Networks) για στοιχειοκεραίες πολλαπλών στοιχείων. Ακολουθώντας μια ολιστική και συστηματική προσέγγιση, η ανάλυση ξεκινάει από τη θεωρία που υπαγορεύει τη λειτουργία τέτοιων πολύπλοκων συστημάτων και συνεχίζει με το σχεδιασμό, την υλοποίηση, καθώς και την πειραματική αξιολόγηση τεσσάρων διαφορετικών οπτικών δικτύων σχηματοποίησης δεσμών.Συγκεκριμένα, η θεωρητική ανάλυση ξεκινά από τη θεμελιώδη θεωρία μιας απλής κεραίας και συνεχίζει με τη θεωρία που υπαγορεύει τη λειτουργία στοιχειοκεραιών. Εστιάζοντας στις γραμμικές στοιχειοκεραίες, εισάγεται η θεωρία του παράγοντα διάταξης ο οποίος καθορίζει το σχήμα και τις γωνίες στόχευσης των δεσμών. Έπειτα, αναλύεται πως ακριβώς πρέπει να τροποποιηθεί ο παράγοντας διάταξης μέσω του δικτύου σχηματοποίησης δεσμών έτσι ώστε να επιτευχθεί σχηματοποίηση-μονής δέσμης, -πολλαπλών δεσμών αλλά και λειτουργία πολλαπλής εκπομπής. Με βάση τον μηχανισμό εισαγωγής της καθυστέρησης, υπάρχουν δυο κατηγορίες δικτύων σχηματοποίησης δεσμών. Στη πρώτη κατηγορία, τα δίκτυα εισάγουν πραγματική καθυστέρηση στα ρεύματα διέγερσης ενώ στη δεύτερη κατηγορία χρησιμοποιούν ολισθητές φάσεων. Επιπλέον, αναφέρονται οι τεχνικές που καθορίζουν τα σχετικά πλάτη των ρευμάτων διέγερσης με στόχο την μείωση της ισχύος των πλευρικών λοβών με τίμημα όμως την αύξηση του εύρους του κύριου λοβού.Στη συνέχεια, εισάγεται η μικροκυματική φωτονική τεχνολογία, η οποία ορίζεται ως το πεδίο το οποίο συνδυάζει τις αρχές της μικροκυματικής τεχνολογίας με εκείνες της φωτονικής, με σκοπό να υλοποιήσει λειτουργίες οι οποίες είτε είναι πολύπλοκες ή ακόμα και αδύνατες να υλοποιηθούν με κλασσικά μικροκυματικά στοιχεία, με χαρακτηριστικό παράδειγμα τα δίκτυα σχηματοποίησης δεσμών. Τα δομικά στοιχεία μιας τυπικής μικροκυματικής φωτονικής ζεύξης αναλύονται διεξοδικά και ορίζονται τα βασικά μετρητικά με βάση τα οποία αξιολογείται η απόδοση τέτοιων ζεύξεων. Έχοντας αναλύσει την αρχή λειτουργίας των οπτικών συστημάτων σχηματοποίησης δεσμών, το επόμενο βήμα ήταν ο σχεδιασμός μιας καινοτόμου αρχιτεκτονικής. Συγκεκριμένα, προτάθηκε και αναλύθηκε μια αρχιτεκτονική ενός M×N οπτικού δικτύου σχηματοποίησης δεσμών, η οποία υποθέτοντας λειτουργία στη καθοδική ζεύξη (downlink) ενός τηλεπικοινωνιακού καναλιού μπορεί να οδηγήσει μια στοιχειοκεραία με N στοιχεία και να συνθέσει M ανεξάρτητες μικροκυματκές δέσμες, ενώ υποθέτοντας λειτουργία στην ανοδική ζεύξη, μπορεί να υποστηρίξει την λήψη M ανεξάρτητων δεσμών. Η λειτουργία του δικτύου βασίζεται στη χρήση μιας συστοιχίας ρυθμιζόμενων οπτικών γραμμών καθυστέρησης καθώς και στη χρήση μιας συστοιχίας ρυθμιζόμενων οπτικών εξασθενητών. Για την πειραματική επαλήθευση της αρχής λειτουργίας της παραπάνω αρχιτεκτονικής, αναπτύχθηκε ένα πλήρως λειτουργικό σύστημα το οποίο μοντελοποιεί ένα 2×4 οπτικό δίκτυο σχηματοποίησης δεσμών. Η ανάπτυξη του συστήματος ακολούθησε τις βασικές αρχές της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής και η υλοποίηση της βασίστηκε σε εμπορικά διαθέσιμα οπτικά και οπτό-ηλεκτρονικά στοιχεία. Χρησιμοποιώντας διαμορφωμένα QAM σήματα με φέρουσες συχνότητες στα 15 GHz, το οπτικό δίκτυο αξιολογήθηκε, υπολογίζοντας τον αριθμό των εσφαλμένων ψηφίων και για τις τρεις διαφορετικές λειτουργίας (σχηματοποίηση μονής δέσμης, σχηματοποίηση πολλαπλών δεσμών και πολυεκπομπή). Σε όλες τις περιπτώσεις, το δίκτυο ήταν σε θέση να επιδείξει λειτουργία χωρίς λάθη, επιβεβαιώνοντας την ικανότητα του να υποστηρίξει και τις τρεις λειτουργίες.Στη συνέχεια, παρουσιάζεται και αξιολογείται πειραματικά ένα πλήρως ολοκληρωμένο 1×4 οπτικό δίκτυο σχηματοποίησης δέσμης χάρη στις InP και Si3N4 φωτονικές πλατφόρμες ολοκλήρωσης. Το ολοκληρωμένο δίκτυο υποστηρίζει τη δημιουργία και σχηματοποίηση μιας μικροκυματικής δέσμης με κεντρικές συχνότητες έως και 40 GHz και μπορεί να επιλέγει γωνίες στόχευσης με συνεχές βήμα. Στην InP πλατφόρμα έχουν ολοκληρωθεί ένα ζεύγος 40 GHz οπτικών διαμορφωτών φάσης και μια τετραπλή συστοιχία 40 GHz φωτοδιόδων, ενώ η Si3N4 πλατφόρμα φιλοξενεί ένα οπτικό φίλτρο και τέσσερις παράλληλες ρυθμιζόμενες οπτικές γραμμές πραγματικής καθυστέρησης χρόνου. Συγκεκριμένα, οι οπτικές γραμμές καθυστέρησης χρόνου βασίζονται στη χρήση οκτώ οπτικών συντονιστών μικρό-δακτυλίου, οι οποίοι μπορούν να εισάγουν πραγματική καθυστέρηση στα διερχόμενα οπτικά σήματα. Επιπρόσθετα, το πρωτότυπο φιλοξενεί μια οπτική πηγή εξωτερικής κοιλότητας, της οποίας το ενεργό στοιχείο ενώ η κοιλότητα στην Si3N4 πλατφόρμα. Η πειραματική αξιολόγηση του συστήματος πραγματοποιήθηκε σε δυο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, μετρήθηκε το κέρδος ζεύξης μέχρι τα 40 GHz, η εικόνα θορύβου καθώς και το SFDR2,3 στις συχνότητες 5 GHz και 10 GHz. Στο δεύτερο στάδιο, θεωρώντας το οπτικό δίκτυο είναι μέρος μιας καθοδικής ζεύξης ενός ασύρματου τηλεπικοινωνιακού συστήματος και χρησιμοποιώντας σήματα QAM με ρυθμό συμβόλων ίσο με 500 Mbaud στα 5 και 10 GHz ως σήματα εισόδου, αξιολογήσαμε την απόδοση του ως προς το ρυθμό εσφαλμένων ψηφίων και το διανυσματικό μέγεθος σφάλματος για γωνίες στόχευσης από 45° έως 135°. Σε όλες τις περιπτώσεις, δεν ανιχνεύτηκαν λάθη στα ληφθέντα σήματα.Ειδικά, για τα δίκτυα 5G αλλά για τα δίκτυα επόμενων Γενεών, τα οπτικά δίκτυα σχηματοποίησης πολλαπλών δεσμών είναι υψίστης σημασίας. Η πιο πολλά υποσχόμενη αρχιτεκτονική είναι η αρχιτεκτονική Blass-matrix η οποία αποτελείται από οπτικούς ολισθητές φάσης και οπτικά συμβολόμετρα τύπου Mach-Zehnder (MZIs). Για πρώτη φορά, παρέχεται ένα στέρεο υπόβαθρο για το σχεδιασμό και τη λειτουργία ενός δικτύου οπτικής διαμόρφωσης δέσμης πολλαπλών δεσμών με βάση τη μήτρα Blass μέσω μαθηματικής ανάλυσης και εκτεταμένων μελετών προσομοίωσης. Αρχικά, επιβεβαιώνεται η αρχή λειτουργίας της αρχιτεκτονικής και συγκεκριμένα, αναλύεται πως η στροφή της οπτικής φάσης των διαμορφωμένων οπτικών σημάτων, η οποία επιτυγχάνεται χάρη στην οπτική μήτρα, μεταφράζεται σε ισοδύναμη στροφή φάσης στα μικροκυματικά σήματα στην έξοδο του δικτύου. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός αλγορίθμου ο οποίος καθορίζει την λειτουργία τόσο οπτικών ολισθητών φάσεων αλλά και των συμβολόμετρων MZIs της μήτρας, έτσι ώστε να επιτευχθεί η σχηματοποίηση πολλαπλών και ανεξάρτητων δεσμών. Μέσω εκτενών προσομοιώσεων, επιβεβαιώνεται η ορθότητα του αλγορίθμου και αξιολογείται η επίδραση του φαινομένου beam-squint στην απόδοση του συστήματος συναρτήσει του ρυθμού συμβόλων και του σχήματος διαμόρφωσης των μικροκυματικών σημάτων, θεωρώντας διαφορετικά pulse shaping σχήματα. Υποθέτοντας λειτουργία με QAM μικροκυματικά σήματα με φέρουσες συχνότητας γύρω από τα 28.5 GHz, αποδεικνύεται μέσω υπολογισμών του EVM ότι το beam-squinting φαινόμενο δεν επηρεάζει την απόδοση του συστήματος σε τυπικές περιπτώσεις, όπου ο ρυθμός συμβόλων παραμένει κάτω από 3 Gbaud. Επιπλέον, διερευνάται η επιπρόσθετη φασματική εξάρτησή του δικτύου λόγω αναπόφευκτών ασυμμετριών των MZIs, διακυμάνσεων των φυσικών διαστάσεων των κυματοδηγών εντός της μήτρας καθώς και η πρόσθετη επίδραση των κατασκευαστικών ατελειών των MZIs αλλά και των ολισθητών φάσεων. Σε όλες τις περιπτώσεις, η επίδραση των ασυμμετριών και των ατελειών παραμένει αμελητέα για ρεαλιστικές συνθήκες κατασκευής και λειτουργίας.Στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού έργου, ICT-HAMLET, αναπτύχθηκε μια καινοτόμα υβριδική οπτική πλατφόρμα ολοκλήρωσης, συνδυάζοντας δυο παθητικές πλατφόρμες, την πολυμερική (PolyBoard) και την TriPleX, με την ενεργή InP πλατφόρμα, με στόχο την ανάπτυξη οπτικών πομποδεκτών οι οποίοι θα λειτουργούν στη διεπαφή μεταξύ του fronthaul δικτύου και του δικτύου ασύρματης πρόσβασης των 5G συστημάτων. Το πρώτο πρωτότυπο (Precursor-1), φιλοξενεί ένα 2×2 οπτικό δίκτυο σχηματοποίησης μικροκυματικών δεσμών βασισμένο στην αρχιτεκτονική Blass-matrix. Κατά την πειραματική αξιολόγηση του, μετρήθηκαν υψηλές απώλειες διάδοσης και ζεύξεις μεταξύ των διαφορετικών πλατφορμών, οι οποίες δεν κατέστησαν δυνατό τον πλήρη χαρακτηρισμό του. Παρόλα αυτά, αναπτύχθηκαν τρείς διαφορετικές πειραματικές διατάξεις, χρησιμοποιώντας εξωτερικά οπτό-ηλεκτρονικά στοιχεία για την πειραματική αξιολόγηση του ολοκληρωμένου φίλτρου και του οπτικού δικτύου σχηματοποίησης δεσμών. Λαμβάνοντας υπόψιν όλες τις πληροφορίες και ευρήματα από τον χαρακτηρισμό του Precursor-1 πρωτότυπου, η κοινοπραξία προχώρησε στον σχεδιασμό και κατασκευή ενός 8×8 οπτικού δικτύου σχηματοποίησης μικροκυματικών δεσμών (Module-1). Εκτός από το μεγαλύτερο Blass-matrix δίκτυο, το οποίο βασίζονταν αμιγώς σε οπτικούς πιεζό-ηλεκτρικούς (PZT) ολισθητές φάσης, το πρωτότυπο Module-1 σε σχέση με το Precursor-1, φιλοξενούσε μια οπτική πηγή άμεσης διαμόρφωσης για την επικοινωνία με τον οπτικό δίκτυο fronthaul, 8 InP διαμορφωτές πλάτους, 8 οπτικά φίλτρα και 16 φωτοδιόδους. Ο χαρακτηρισμός του Module-1 ξεκίνησε από την οπτική πηγή άμεσης διαμόρφωσης. Αρχικά, μετρήθηκε η εκπεμπόμενη οπτική ισχύ σε σχέση με τον ρεύμα άντλησης. Η μέγιστη οπτική ισχύ ήταν -1 dBm για ρεύματα άντλησης ίσα με 90 mA. Εν συνεχεία, αναπτύχθηκε η μεθοδολογία για τον χαρακτηρισμό του 8×8 οπτικού δικτύου σχηματοποίησης μικροκυματικών δεσμών. Τα αποτελέσματα υπέδειξαν ότι μόνο το 36 % από τα συνολικά 64 MZIs λειτουργούσαν ικανοποιητικά επιδεικνύοντας λόγους σβέσης από 1.75 dB μέχρι 23.3 dB. Το γεγονός αυτό κατέστησε αδύνατον τον περαιτέρω χαρακτηρισμό του οπτικού δικτύου καθώς ο μικρός αριθμός λειτουργικών συμβολόμετρων δεν επέτρεπε την δρομολόγηση των σημάτων εισόδων στους αντίστοιχους κυματοδηγούς στην έξοδο. Παρά το γεγονός ότι και τα δυο πρωτότυπα δεν ήταν πλήρως λειτουργικά, τα πειραματικά ευρήματα συνέβαλαν καθοριστικά στην απόκτηση της απαιτούμενης τεχνογνωσίας για την ανάπτυξη τέτοιων περίπλοκων κυκλωμάτων καθώς βελτίωσαν σημαντικά τις τεχνικές ολοκλήρωσης μεταξύ των τριών οπτικών πλατφορμών. Το Ευρωπαϊκό έργο HAMLET καθώς και οι παραπάνω πειραματικές μελέτες αποτέλεσαν το εφαλτήριο για το Ευρωπαϊκό έργο TERAWAY, το οποίο στοχεύει στην ανάπτυξη πομποδεκτών για τα ασύρματα δίκτυα επικοινωνιών των επόμενων Γενεών, με ικανότητα λειτουργίας στις φασματικές περιοχές W (92-114.5 GHz), D (130-174.8 GHz) και THz (252-322). Τα πρωτότυπα βασίζονται στην υβριδική ολοκλήρωση των τριών φωτονικών πλατφορμών και στον πυρήνα τους βρίσκονται οπτικά δίκτυα σχηματοποίησης δεσμών ακολουθώντας την αρχιτεκτονική Blass-matrix.