مقدمة: المرجعي الشخصي

ويقود الطلب المتكرر على ارتفاع معدلات البيانات، وانخفاض مستوى التردد، والربط بين أجهزة الاتصال اللاسلكية، التطور من 5G إلى 6G، ومن المتوقع أن تعمل هذه الشبكات اللاسلكية ذات النطاقات الفرعية (الفرعية) وأجهزة الاتصال اللاسلكية العالية (الثوارتز) (100 غيغاهيرتز إلى 3 ثامن)، حيث تواجه الدوائر الإلكترونية التقليدية قيودا أساسية على سرعة وكفاءة أجهزة الكشف عن الإشارات وظهورها.

وفي حين أن 5G تستخدم بالفعل بعض تقنيات التصوير الضوئي في الشبكات الخلفية، فإن 6G سيطالب بدمج الصور الفوتوغرافية في المقدمة وحتى في واجهة الهوائيات، وتستكشف هذه المادة آخر التطورات في مراكز الموافقة المسبقة عن علم بالنسبة لـ 6G مرسلة، وتغطي المنابر المادية، والابتكارات في الأجهزة الرئيسية، واستراتيجيات التكامل، والتحديات التي لا تزال قائمة على الطريق إلى النشر التجاري.

ما هي الدوائر المتكاملة الصورية؟

إن الدوائر المتكاملة المأهولة هي رقائق تدمج عناصر بصرية متعددة - مثل الليزر، والمناقلات، والآلات، والمرشحات، وأجهزة الموج - في إطار فرعي واحد، بخلاف الدوائر الإلكترونية المتكاملة التي تتلاعب بالكهرباء، تتلاعب أجهزة PICS بالصور، وهذا الفرق الأساسي يمنح عدة مزايا: فقدان الترددات الافتراضية في نطاق واسع للغاية، والدعائم المنخفضة في آن واحد.

ويمكن أن يشمل جهاز إرسال نموذجي من طراز PIC-based 6G مصدراً لازرياً متواصلاً، ومنظم ذو سرعة عالية (مثلاً، ومزودة بأجهزة تحويل مزودة بأجهزة مزودة بأجهزة مزودة بأجهزة مزودة بأجهزة كهربائية، ومزودة بأجهزة مجهزة بالكهرباء، وأجهزة تصويرية تُحوّل الإشارة الضوئية المُعدّة إلى إشارة كهربائية في الترددات الضوئية القادمة.

الاختلافات الرئيسية في الدوائر الإلكترونية المتكاملة

  • Bandwidth:] Electronic circuits face transit-time and RC time constant limits; photonic modulators can achieve bandwidths exceeding 100 GHz, with laboratory demonstrations reaching 500 GHz.
  • Power consumption:] Photonic signal distribution and processing can be more efficient at high frequencies, as optical links avoid the resistive losses of metal interconnects.
  • Signal integrity:] Photonic links are inherently immune to cross talk and electromagnetic interference, which becomes severe at mmWave and THz frequencies.
  • Size and weight:] A single PIC can replace bulky coaxial cables, waveguide assemblies, and discrete optical components, enabling compact transceiversivers for massive MIMO and gradual-array antennas.

"الـ 6 جي لاندرزبـي" "لماذا يحتاج "تيرهاتز" إلى "الصور

ويستهدف هذا الرقم معدلات البيانات البالغة ١٠٠ غم بيزو إلى ١ تيبس، والتأخرات تحت ١ متر، ودعم الاستشعار العالي الاستبانة والوضع المحلي، ويتطلب تحقيق هذه الأهداف ظهور ناقلات تزيد على ١٠٠ غيغاهيرتز، حيث يكون الطيف وافا، ولكن خسائر الانتشار مرتفعة، وتعاني الأجهزة الالكترونية في هذه الترددات من قدرة محدودة على الانتاج، ومن ضعف مستويات الإشعاع، ومن ارتفاع تقنيات التنظيف.

وعلاوة على ذلك، يمكن أن تعالج أجهزة التضليل الضوئي وتجهيز الإشارات النطاقات الواسعة النطاق لمجاري البيانات المتعددة الأطقم بدون محولات من رقم إلى ميكانيكي للكهرباء ومحولات من نوع التناظر إلى الرقمي التي تحد من النظم الإلكترونية، ويمكن لمرسل الصور الضوئي أن يولد مباشرة ناقلاً من أجهزة توليد الطاقة الكهربائية المتحركة، وذلك بجعل الاستهلاك من مراحل التحويل لا غنى عنها.

Key Insight:] The integration of photonic and electronic functions on a singleرق — often called heterogeneous integration — is the most promising path to realize practical 6G transceivers that are both high-performing and manufacturable at scale.

منابر المواد للدائرة المتكاملة للصوت

ويحدد اختيار منبر المواد أداء وتكلفة وكمية التكامل بين مراكز الموافقة المسبقة عن علم بالنسبة لـ 6 زاي. ويجري بنشاط بحث عدة منابر وتجارتها.

Indium Phosphide (InP)

فوسفيدي الهندية هو موصل نصف موصل مباشر يتيح التكامل الأحادي للعناصر النشطة (الأجهزة الاستنشاق، والمضخات، والمناقلات) والعناصر السلبية (اللوحات، والمرشحات) على رقاقة واحدة، وقد أظهرت أجهزة التصوير والمناورة التي تستخدم في الأشعة دون الحمراء وجود قوسين أعلى من 100 جيهرتز، وأجهزة السحب غير المزودة بالصور (النسخ الضوئية)

Silicon Photonics (SiPh)

ويعزز التصوير الضوئي للسيليكون الاختلاق المتوافق مع النظام، ويبشر بانخفاض التكلفة، والاندماج الكثافة في الدوائر الإلكترونية، بينما يشكل السيلكون مادة غير مباشرة (تجعل من الصعب صنع الليزرات على الشيب)، ويمكّن الموصلات وأجهزة التصوير الضوئي من تحقيقها باستخدام نضوب الناقلات أو طبقات الصبغة الصبغية.

سيليكون نيتريد (Si3N4)

ويتيح نيتريكون خسارة بصرية منخفضة جداً (0.1 د/ك م) ونافذة واسعة النطاق للشفافية تمتد إلى المرئية والقرب من الحمراء، وهي تُخرج في وظائف سلبية مثل المرشّحات والمضاعفات وخطوط التأخير، أما بالنسبة لـ 6 جي، فإن أجهزة إعادة الصرافة تعمل بالأشعة الدقيقة في السي 3N4 يمكن أن تؤدي عمليات التخدير الضوئي وتجهيز الإشارات ذات الدقة العالية.

ليثيوم نوبيات (لي نبو 3) بشأن المرشد

ويمتلك نبتة الليثيوم معاملات كهربائية - بصرية قوية، مما يتيح للمناورات التي لها فولت منخفض جداً من نصف الموجات وخط رفيع، وقد أثبت الموصلات التي تعمل على إبطال مفعولها في إطار نظام " لي نبو 3 " أن الشعارات التي تُعدّ سعة الجاهزة تتجاوز 100 جيهرتز مع وجود فولت منخفض، مما يجعلها مثالية لخلق إشارات عالية الصبغة.

التكامل الهجين والمختلط

ولا تفي أي مادة واحدة بجميع المتطلبات، ولذلك فإن الصناعة تلتقي بالتكامل غير المتجانس - أي ربط مواد مختلفة على أساس فرعي مشترك (مثلا، سيف مع أجهزة معالج الليزر واللونيل) - ومن ثم فإن تقنيات التغليف المتقدمة مثل طباعة الميكرو - الموصلات، وربط الخيوط، والتكامل 3D تتيح الجمع بين أفضل المنصات، وهذا النهج حاسم في بناء مرسل كامل.

السلف في العناصر الرئيسية للأجهزة الضوئية

المرشدون الرفيعو السرعة

ويحول المروحيات إشارات الترددات الكهربائية إلى ناقل بصري، وبالنسبة لـ 6G، يجب أن يدعموا نماذج التناوب مثل 16QAM، و 64-QAM، وحتى مكتب إدارة العمليات الإنمائية مع معدلات رمزية تتجاوز 100 غبود، وتشمل الإنجازات الأخيرة ما يلي:

  • strong ⁇ InP Mach-Zehnder modulators/strong ⁇ with bandwidths of 80-100 GHz and low V (2 V).
  • LNOI modulators] achieving 110 GHz bandwidth and VL of less than 2 V cm.
  • Plasmonic-organic hybrid modulators using electro-optic polymers that can reach modulation bandwidths up to 500 GHz, albeit with higher losses.
  • Silicon modulators with slow-wave electrodes] extending beyond 70 GHz, suitable for sub-THz bands.

الصور لجيل الثث وكشفه

أما أجهزة الاستديو الضوئية التابعة للشبكة الواحدة فهي الآفاق المستخدمة لتوليد الغاز، حيث إن موجة من الأشعة المقطعية ذات الصبغة الليزرية البصرية تنتج صورة متجانسة من طراز PTC-PD تشع مباشرة في نطاق التردد ثيس.

عدد أعضاء مكاتب الترددات البصرية

إن مكامن التردد - المصادر التي تبعث على نفس السقف البصري - قيمة لتوليد ناقلات متعددة من ثلاثية العجلات في رقاقة واحدة، وتولد الكائنات الدقيقة التي ترتكز على أجهزة قياس السي 3N4 المصغرة مئات من خطوط المشط مع فترات زمنية دقيقة، ويمكن للمرء أن يولد إشارة منخفضة التردد، ويمكن لمصادر الترميز هذه أن تحل محل عدة خطوط غير دقيقة.

الرافعة المتحركة والصور

ستستخدم شبكة الأنينات المتحركة على مراحل في توجيه الشعاعات وتكثيف الأشعة المكانية، وتتيح شبكات التضليل الصوتي باستخدام التأخيرات البصرية في الوقت الحقيقي (OTTD) تشغيل النطاق الواسع، والعملية الخالية من الحبار، ويمكن للشبكة أن تحقق التكامل بين هذه الوصلات المتحركة، ومزودات الحلقات، والأشجار الثنائية مع حلول ثانوية فرعية.

آخر مظاهر على مستوى المنظومة

وفي المختبر، أثبت عدد من أفرقة البحوث واتحادات الصناعات وجود أجهزة إرسال وأجهزة استقبال مجهزة بمقياس تركيزي من نوع (GBH) في المختبر، وعلى سبيل المثال، قام فريق من المعهد الوطني للإحصاء (ألمانيا) بإدماج أجهزة الاتصال التابعة للشركة (GTC-PD) مع أجهزة مضخة للهيدروجين (SiGe) لإنتاج جهاز إرسال من طراز THz يعمل بـ 300 جهاز إرسال Gbps) مع معدل بيانات من طراز FGBT

وتبين هذه النماذج الأولية أن التكامل الضوئي يمكن أن يفي بمتطلبات السرعة وضم الترددات، وتتمثل الخطوة التالية في دمج سلسلة الموصلات الكاملة - الليزر، الموصل، التصويري، تغذية الهوائي، وتلقي جهاز التصوير الضوئي - على رقاقة واحدة، وكان مشروع الاتحاد الأوروبي H20 مجرد سليفة؛ والمبادرات الحالية مثل 6G-PHOTON تدفع نحو متجانسات لاسلكية متكاملة تماما مع صفائف لاس.

التحديات والطريق نحو التسويق

إدارة الحرارة

فالأجهزة الضوئية، ولا سيما الليزر وأجهزة التصوير ذات الطاقة العالية، تولد الحرارة، وفي توليدها، يجب أن يتعامل جهاز التصوير الضوئي العالي، مما يؤدي إلى درجات حرارة محلية يمكن أن تتدهور الأداء، والإدارة الحرارية الفعالة باستخدام القنوات الفلورية الدقيقة، أو محطات الماس الفرعية، أو المبردات الحرارية، هي أمور أساسية، حيث يولد تكامل القرب الضوئي والسيارات الإلكترونية المشكلة.

التعبئة والتجميع

ويحتاج ضوء التقريب بين الشريحة والنسيج الإلكتروني لسائقي السيارات/الآلات إلى حزمة كبيرة، كما أن الخسائر في التقريب بين الشاحنات والقطع، والمواءمة بين الاستقطاب، والتفاعل مع الإشارات الكهربائية العالية التردد (مثلاً عن طريق عبوة رقائق الويبية) إلى حلول متطورة للتعبئة.

التصنيع

وتزداد المكتشفات الصوتية، ولكن إنتاج المكونات النشطة (الموجهات والمناورات) أقل من الإلكترونيات التابعة للجنة البحرية الدولية، ويزيد تعقيد إدماج المواد المتعددة على شريحة واحدة من عدد خطوات التجهيز وفرص العيوب، وسيؤدي وضع مصانع موحدة للحواسيب (مجموعات تصميم العمليات) وأجهزة لوحات متعددة المشاريع إلى خفض تكاليف وضع البطاقات والإنتاج الجماعي في نهاية المطاف.

لازر نواة وتماسك

وبالنسبة لتوليد العجلات عن طريق التحلل الحراري، فإن الضوضاء التدريجية للليزر تترجم مباشرة إلى الضوضاء التدريجية للإشارة المتولدة عن ثيس، ولا بد أن تكون اللافتات الخفية أقل من 100 كيلوهرتز لتلبية متطلبات الضوضاء في مرحلة الضبط العالي، فالليزر الموزعة على الشاشات (مثلاً، أجهزة الأشعة الموزعة) لديها صور في نطاق الترددات الضوئية، لذا يجب أن تطبق على خطوط الحيز الخارجي.

الأثر على الاتصالات اللاسلكية في المستقبل

وبمجرد التغلب على العقبات التقنية، فإن مرسلي الصواريخ من طراز PIC-63 سيمكنون من الحصول على فئة جديدة من الخدمات اللاسلكية، وستدعم معدلات البيانات العالية الاتصالات الهولندية، والتواؤم الرقمية في الوقت الحقيقي، وتطبيقات الواقع الموسع غير المتجانس، وسيؤدي انخفاض درجة التردد إلى إجراء عمليات جراحية عن بعد، وتنسيق المركبات المستقل، والتشغيل الآلي الصناعي.

وفيما عدا 6 ج، ستمهد مراكز الإعلام الطريق للشبكة اللاسلكية اللاسلكية " تيراهرتز " (THz-WLAN)، ووصلات خلفية من طراز تيرابيت - 2 للخلايا الصغيرة الكثيفة، وحتى وصلات بصرية بحرية تختلط في طيف ثيس، ولا يشكل تقارب الصور اللاسلكية خطوة تطورية فحسب، بل هو تحول في النموذج يحدد البنية الأساسية للاتصالات في أواخر عام 2020.

خاتمة

أما الدوائر المتكاملة الصوتية فهي تكنولوجيا الحجر الأساسي لتحقيق 6G جهازاً للاستقبال وأجهزة استقبال يمكن أن تعمل بكفاءة في نطاق تيراهارتز، أما التقدم في منابر المواد - إن بي، وصور السليكون، والشبكة المحلية للتقنيات، والتكامل المتباين - فقد أنتجت أجهزة إرسال، وأجهزة تصوير، وشبكات تضفي على أهداف الأداء ذات الـ 6 جي، بينما تظل التحديات في مجال إدارة الوعود، والتغليف،

For further reading, explore This Nature Photonics review on photonic THz communications and the latest from the 6G-PHOTON project. Additional insights can be found in IEE Technology Journal of Lightwave