ومع تزايد الطلب العالمي على الاتصالات اللاسلكية بسرعة أكبر وأكثر موثوقية، يتجه الباحثون بشكل متزايد إلى دوائر متكاملة للتصوير الضوئي للوفاء بأهداف الأداء القصوى للجيل السادس من الشبكات (G-G) وخلافا للالكترونيات التقليدية التي تعتمد على الإشارات الكهربائية، تستخدم أجهزة الاستنشاق الضوئية لنقل المعلومات وتجهيزها وطرقها، مما يوفر مزايا أساسية في نطاق الترددات وكفاءة الطاقة والحصانة الكهرومغناطيسية.

وتستعرض هذه المادة أحدث الابتكارات في الدوائر المتكاملة للصور الضوئية لنقل البيانات من 6G، بما يشمل التقدم في المواد، والتكامل المكوّن، وتقنيات التصنيع، والتصميم على مستوى المنظومة، كما تدرس التحديات المستمرة وترسم الخطوط العريضة لتوجيهات البحوث التي ستشكل الجيل القادم من الوصلات البصرية العالية السرعة.

دور الدوائر المتكاملة في 6G

فالدوائر المتكاملة المأخوذة من الصور المصغرة هي أجهزة مصغرة تدمج وظائف بصرية متعددة مثل توليد الضوء، والمسح، والكشف، والربط بين رقاقة واحدة، وباستبدال الوصلات الكهربائية بالمسارات البصرية، يمكن أن تحمل أجهزة PICs بيانات أكبر بكثير، بينما تستهلك قدرا أقل من الطاقة وتولد حرارة أقل بكثير، وهذه الخصائص مهمة بوجه خاص بالنسبة لـ 6G، التي ستستخدم في نطاقات أعلى.

وفي إطار البنية التحتية لمجموعة الـ 6، يتوقع أن تؤدي مراكز الموافقة المسبقة عن علم عدة أدوار حاسمة:

  • High--speed data transmission:] Optical interconnects that can carry multi-terabit aggregate data rates between base stations, data centers, and edge nodes.
  • Analog signal processing:] Photonicرقs for true-time delay beamforming, RF filtering, and phase shifting-essential for massive MIMO and progressive-array antennas.
  • Low —latency shifting:] All —opticalpacket shiftes that bypass electronic buffering, reducing end -to -end latency to microseconds.
  • Energy efficiency:] Optical links that consume an order of magnitude less power per bit than electrical equivalents, critical for sustainable network scaling.

وعلاوة على ذلك، يمكن أن تُجمع مراكز الموافقة المسبقة عن علم مع دوائر إلكترونية متكاملة لإنشاء وحدات نموذجية مدمجة ذات نطاق عال، ذات واجهة عالية، وهذا التكامل الهجين هو عامل تمكين رئيسي للجيل القادم من أجهزة إرسال محطة قاعدية وأجهزة لاسلكية صغيرة الحجم.

الابتكارات الأخيرة في تكنولوجيا الدوائر المتكاملة في فوتونيك

وعلى مدى السنوات القليلة الماضية، أدت عمليات الاختلاق والمواد والتصميم إلى تسريع أداء ونضج مراكز الموافقة المسبقة عن علم بالنسبة لتطبيقات من الفئة 6 جي، وهي أهم التطورات.

إدماج العناصر النشطة والعاطفية في نظام شيب واحد

One of the long‑standing challenges in PICs has been the difficulty of combining active components (e.g., lasers, modulators, photodetectors) with passive components (e.g., waveguides, filters, splitters) on a single monolithic platform. Traditional approaches used different materials for different functions, requiring complex hybrid assembly. Recent advances in heteroepitaxy, wafer bonding, and selective area growth now enable the monolithic integration of indium phosphide (InP) active regions with silicon or silicon nitride passive waveguides. This has led to fully functional transmitter‑receiver chips that can generate, modulate, and detect optical signals without external components.

وعلى سبيل المثال، أبلغ الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عن منصة للتصوير السيليكوني تدمج الليزر الكمي - الدوت، ومشغلات الصبغة الكهروائية، وأجهزة التصوير الضوئي ذات السرعة العالية على وعاء من السيليكون 300 ملم، وأظهرت الأداة الناتجة عن ذلك نقلاً خالياً من الأخطاء في البيانات عند 112 غمبر لكل لاني - خطوة هامة نحو التفاعلات التي تستخدمها في شكلها طبقة مائل من نوع الترس

المواد المتقدمة: صور السيليكون، وفوسوفيد إنديوم، وغريفين

ولا تزال صور السيليكون هي المنبر المهيمن لتصنيع PIC بسبب توافقها مع عمليات الموصلات المعدنية - أكسيد النسيج - الشبهات، غير أن نطاق السيليكون غير المباشر يحد من قدرته على توليد الضوء بكفاءة، ومن أجل التغلب على ذلك، تتحول الصناعة بشكل متزايد إلى حلول مختلطة وغير متجانسة:

  • Indium phosphide (Indium phosphide): ] InP can both generate and modulate light at high speeds, making it ideal for active components. Recent innovations have pushed InP modulators to bandwidths exceeding 110 GHz, with low drive voltages suitable for direct integration with CMOS drivers.
  • Silicon photonics with III —-V materials:] by bonding little films of InP or gallium arsenide into silicon waveguides, manufacturers can achieve monolithic laser integration without sacrificing the economies of scale from CMOS foundries.
  • () Graphene and 2D materials:] Graphene exhibits ul-high carrier mobility and broadband optical absorption, enabling modulators and photodetectors that operate across visible to far-infrared wavelengths. In 2023, a team at the University of Manchester photoamene-based modwid

وبالإضافة إلى ذلك، برزت نواة الليثيوم الرقيقة كمواد واعدة للمناورات بسبب معاملها الكهربائي القوي وفقدانها البصري المنخفض، وقد أظهرت شركات مثل هيبر لايت والباحثين في المعهد الاتحادي السويسري لغسل التكنولوجيا أن موصلات TFLN ذات السرعة الناموسية تتجاوز 100 جيهرتز ونصف فولت جوف تحت مستوى 1 ف-أيدي فعال.

التعدين من خلال صناعة النانو

كما أن التقدم في مجال الترسبات فوق البنفسجية العميقة والأشعة فوق البنفسجية الشديدة، وكذلك البصمات النانوية ورسم الليثيوم الإلكترونية، قد قلص حجم السمات الحرجة في أجهزة PICs إلى أقل من 100 نانو متر، مما مكّن من استخدام موجات الموجات ذات الخسائر دون الميثان/الخزانات، ومزودات المايكرويج ذات عوامل جودة تتجاوز 106، وموجات التراكم.

وعلاوة على ذلك، يجري تكييف تقنيات التعبئة 3D (مثلاً من خلال القنوات الإلكترونية وربطها بالوزن على مستوى الويب) للصور الفوتوغرافية، مما يتيح التكامل الرأسي لدوائر التصوير المتعدد الطوابق، ويمكن لهذا النهج أن يؤدي إلى تحقيق المستوى الأمثل (الفقدان المنخفض، والمقارنة العالية بالأرقام القياسية) والطبقة الإلكترونية (السرعة العالية، والكثافة العالية)، ثم ربطها عبر قنوات بحثية متعددة، وعبر المقاييس.

دمج الصور في الدوائر الإلكترونية

ويُشار في كثير من الأحيان إلى التكامل الهجيني - الكترونيا - المترجمات الضوئية " أو " أجهزة التصنت الصوتية - الصوتية " - وهي عبارة عن تصوّر سريع، حيث تُجمع ثماني مواد من طراز GIC ذات السرعة العالية وسائق جهاز الرصد والمراقبة والاستقبال، ويمكن للمصممين أن يقللوا إلى أدنى حد من المواد الطفيلية التي تحد من الأداء في الحلول المتفككة.

وبالنسبة لـ 6 زاي، فإن هذا الإدماج المشترك أمر حاسم لسببين:

  • Beamforming and progressive spectrums:] Each antenna element requires a precise time delay that can be applied optically using tunable delay lines. Integrating the delay control electronics with the photonic core reduces latency and power consumption.
  • Digital —to —analog conversion (DAC):] High —speed analog signal generation for sub —THz carriers can be performed directly in the optical domain by using photonic DACs. These devices require tightly coupled electronic —optical interfaces, which are only practical with co —integration.

وفي عام 2024، قدم اتحاد بحثي يضم جامعة ستوتغارت ونوكيا بيل لابس جهازاً متكاملاً تماماً من أجهزة إرسال جهاز PIC-EIC من أجل نقل 300 GHz من طراز GHz، وتضمنت الوحدة جهازاً لاسلكياً على الهواء مباشرة، ومحركاً للصور الفوتوغرافية في المنطقة، ومحركاً لسيغي بي سيموس - جمعت في مجموعة من المواد الفضائية عيار 10 ملم.

التحديات والحدود في الدوائر المتكاملة الصورية لـ 6 جي

وعلى الرغم من التقدم المثير للإعجاب، يجب التغلب على عدة تحديات قبل أن يتسنى نشر مراكز الموافقة المسبقة عن علم على نطاق واسع في شبكات مجموعة الـ 6.

الإدارة الحرارية

فمع ارتفاع كثافة التكامل، يصبح التداخل الحراري بين المكونات مسألة هامة، فعلى سبيل المثال، فإن الطول الموجي للليزر يمكن أن ينجرف بمقدار 0.1 نانوغرام/س، الذي يزيد من كثافة التكوين الموجي المتعدد الأطراف، مع وجود 50 مبرداً من حيث التكلفة، مما يؤدي إلى حدوث تداخل بين مستويات الحرارة.

التعقيد والميل

وتُجمع نظم المواد المتعددة (السيليكون، والنيترول، والشبكة الثالثة للفيديو، ونيوبات الليثيوم، ومواد الـ 2 دي) على رقاقة واحدة، وتُحدد الآثار في الأوجه المتناهية الصغر، ويمكن أن تتسبب في فقدان بصري مفرط أو حتى فشل كامل في الأجهزة، وتُعوِّض الغلة الحالية للأجهزة الديموغرافية المتعددة الجوانب عن استخدام الصور الضوئية للسيليكون، التي تؤدي بدورها إلى إحداث تغيير في الهياكل الأساسية.

خفض التكاليف والصناعة التحويلية القابلة للتوسع

وفي حين أن الصور الفوتوغرافية للسيليكون تغذي المكتشفات الموجودة في نظام الرصد والمراقبة، فإن خطوات العمليات الإضافية (مثلاً، التدريب الليمنيوم، وربط الأوكسيد، والأزواج) تزيد تكاليف وورقات الشوائب، وبالنسبة لـ 6G، حيث قد تتطلب النشرات الكثيفة وجود عشرات الملايين من نماذج تصميمات المرسلات، فإن التكلفة لكل وحدة يجب أن تنخفض إلى أقل من 10 دولارات للعديد من تطبيقات النسيجية الصغيرة.

التعبئة والتجميع

ويظل ضوء التقلبات الناجعة من مركز الموافقة المسبقة عن علم إلى الألياف الأحادية (والعكس بالعكس) من الاختناقات، ولا سيما في الكثافة العالية اللازمة لأجهزة متعددة الموانئ، ويحقق التصادم بين الحزمة والأزواج المتنازعين، ويتجاوز كل منها الوصلات البينية المميزة في حالات الفقد، والتسامح في مجال المواءمة، والزوارق، وتشمل التطورات الجديدة خسائر في تركيبات الثنائية المتعددة الأطراف، وسندات الصوتية،

المستقبل

وتركز البحوث الجارية على التغلب على التحديات المذكورة أعلاه مع دفع مظروف أداء مراكز الموافقة المسبقة عن علم إلى 6 زاي.

التصنيع المتصاعد والتكامل المتجانس

والمعلم الرئيسي التالي هو إظهار مؤشر متجانس متعدد الأطراف من طراز SMOS، وهو رقم واحد تماماً من طراز 6G، وهو منصة من 300 ملم، مما سيتطلب طريقة موثوقة لإدماج الليزرات ذات اللافتات العالية، والمناورات الضوئية ذات السرعة العالية دون المساس بأداء النسيج الأساسي، حيث أن عدة اتحادات أكاديمية من نوعها، بما في ذلك نظام إي إم سي بي بي إف50 جي، وقاعدة التكامل الوطني.

زيادة كثافة التكامل

ونظراً لأن عدد عناصر الهوائي في صفائف ضخمة من طراز MIMO يبلغ ٦ جي )محتمل أن يصل إلى الآلاف(، فإن شبكة التضليل الضوئي يجب أن تتوسع أيضاً، ويستكشف الباحثون صفائف موجات موجية × ثنائي، وضبط السرعة في المرحلة البصرية، وعناصر تأخير قابلة للتداول الموجي لمعالجة آلاف التحولات في المرحلة المتزامنة)٢(.

تعزيز كفاءة الطاقة

فالطاقة الواحدة هي مقياس حرج لـ 6G، ولا سيما في أجهزة الحافة ذات الطاقة البطارية، كما أن التقنيات الناشئة مثل الخزان الضوئي، والحواسيب المتكاملة للأشعة العصبية، ومخططات الكشف المتسقة تعد بتخفيض الطاقة إلى أقل قليلا من 1J/bit من أجل وصلات قصيرة الأجل، بالإضافة إلى ذلك، يقوم الباحثون بالتحقيق في البنى التي تلغي الحاجة إلى تحويل موجات متحركة إلى أجهزة تحويل بصرية

توسيع نطاق العمليات

ومن المرجح أن يعمل 6G في طيف دونيث (100-300 GHz) وفي إطارات الموجات العليا (60-90 GHz) ويجب أن تكون العناصر المصورة التي يمكن أن تعالج هذه الترددات ذات قدرة سريعة للغاية على التناوب والكشف، كما أن العمل الأخير بشأن أجهزة الهجينة ذات الترددات البلازمونية قد أظهر وجود متجانسات ذات ترددات تتجاوز 300 جهاز تصويري.

استخبارات فنية وتعلم الآلات لأغراض تصميم مركز التحقيقات

ويلعب التعلم الماكنة دوراً متزايد الأهمية في تصميم الدوائر المتكاملة الضوئية وتحسينها إلى أقصى حد، حيث تحدد الوظيفة البصرية المطلوبة، ويولد الحاسوب أجهزة تمكينية متطورة من حيث الهندسة، تتجاوز التصميمات غير المناسبة، كما تستخدم منظمة العفو الدولية للتنبؤ بآثار التباينات الصناعية وتعويضها عن طريق نماذج البرمجيات الصنعية المصممة حالياً.

التطبيقات في الشبكات ذات الـ 6 زاي

وإلى جانب التكنولوجيا الأساسية، سيمكن إدماج مراكز الموافقة المسبقة عن علم في شبكات من 6 مجموعات من الخدمات العامة من استخدام حالات محددة مستحيلة باستخدام الإلكترونيات النقية.

أشعة مسطحة

والتأخير الحقيقي في التوقيت الحقيقي هو تطبيق رئيسي حيث يؤدي التأخير في التصوير إلى الدقة في المرحلة العليا واتساع نطاق التردد الفوري، وباستخدام خطوط تأخير متبادلة في الصور الفوتوغرافية للسيليكون، يمكن للمنصب أن يبث الشعاعات عبر مجال من 120 درجة، مع الإشارة إلى دقة 0.1 درجة ودعم مسارات البيانات المتعددة الأطراف، وهذا أمر أساسي بالنسبة لمستخدمي الأشعة الدينامية البالغ عددها 6 جي.

مساحيق MIMO وسطحات ذكية قابلة للثقة

وتولد هذه الدوائر المتكاملة المتحركة التي تحتوي على مئات أو آلاف من عناصر الهوائيات كمية هائلة من تجهيز الإشارات، ويمكن أن تؤدي هذه الدوائر المتكاملة المغنطة المغنطة وتفترس مباشرة في المجال البصري، مما يقلل بشكل جذري من الحمولة الحاسوبية الرقمية، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن بناء أسطح ذكية قابلة لإعادة تشكيلها باستخدام صفائف من أجهزة تحويل محركات مصغرة تعمل بالصور الضوئي، مما يمكن من الحد من الأشعة الإلكترونية.

وبالنسبة للوصلات التي تربط بين المفاعلات الكهربائية والواجهة (مثلا بين محطات القاعدة أو مكتب مركزي)، يمكن للمرسلات الضوئية العاملة في إطار النطاق 100-300 GHz أن توفر معدلات بيانات تتجاوز 100 غم على مسافات عدة كيلومترات، وقد أثبت الاستقرار التدريجي الكبير للمصفوفين المحليين المصورين، إلى جانب أجهزة التصوير ذات النطاق العريض، وجود كشف متماسك تماما عن الإشارات الميدانية التي تستخدم الترددات الرقمية)(26).

الربط بين مركز إدج وبيانات

وستتطلب الشبكات الأساسية التي تعمل بنظام 6G وصلات واسعة النطاق بين مراكز البيانات ووصلات بصرية يمكن أن تواكب أعباء العمل الموزعة في مجال التنفيذ، وتستخدم بالفعل الصور المتكاملة في مراكز البيانات الخاصة بالمرورات العالية الكثافة، وستوسع الشبكة نطاقها لتشمل عقدات الحواف الموزعة، وستجمع بين أجهزة تحديد المواقع التي تتراوح بين 5 و 10 قنوات ذات الموجات المتوسطة في 400 مركز للبيانات، في مجموعة واحدة من الوصلات بين 10 درجات مئوية.

خاتمة

وتنتقل الدوائر المتكاملة الصوتية من المختبر إلى وضع النموذج 6G في العالم الحقيقي، مدفوعاً باختراق المواد، والتكامل، والصناعة التحويلية، والقدرة على توليد وتلاعب وكشف ضوء على شريحة الطاقة المنخفضة، تجعل من أجهزة الموافقة المسبقة عن علم أداة طبيعية لتلبية متطلبات الأداء القصوى للشبكات اللاسلكية القادمة، وفي حين أن التحديات في إدارة المواد الحرارية، ومنتجات النسيج، والتعبئة العامة، لا تزال الثغرة في البنية التحتية سريعة.

For further reading, see the Optica Photonics Report on 6G], the ]IEE Journal of Lightwave Technology Special Issue on 6G Photonics, and the Nature Light: Science ' Applications article on graphene.