Da sich die weltweite Nachfrage nach schnellerer, zuverlässigerer drahtloser Kommunikation beschleunigt, wenden sich Forscher zunehmend photonischen integrierten Schaltungen (PICs) zu, um die extremen Leistungsziele von Netzwerken der sechsten Generation (6G) zu erreichen. Im Gegensatz zu herkömmlicher Elektronik, die auf elektrischen Signalen beruht, verwenden PICs Photonen, um Informationen zu übertragen, zu verarbeiten und zu routen, was grundlegende Vorteile in Bezug auf Bandbreite, Energieeffizienz und elektromagnetische Immunität bietet. Diese Eigenschaften machen PICs zu einem wesentlichen Baustein für 6G, der Datenraten von mehr als 100 Gbps, eine Latenzzeit unter Millisekunden und Unterstützung für transformative Anwendungen wie holographische Telepräsenz, digitale Zwillinge und Umgebungssensorik in großem Maßstab verspricht.

Dieser Artikel behandelt die neuesten Innovationen in photonischen integrierten Schaltungen für die 6G-Datenübertragung, die Fortschritte in den Bereichen Materialien, Komponentenintegration, Fertigungstechniken und Systemdesign abdecken. Er untersucht auch anhaltende Herausforderungen und skizziert die Forschungsrichtungen, die die nächste Generation von optischen Hochgeschwindigkeitsverbindungen prägen werden.

Die Rolle von Photonic Integrated Circuits in 6G

Photonische integrierte Schaltungen sind miniaturisierte Bauelemente, die mehrere optische Funktionen wie Lichterzeugung, Modulation, Detektion und Routing auf einem einzigen Chip integrieren. Durch den Austausch elektrischer Leiterbahnen durch optische Pfade können PICs wesentlich mehr Daten transportieren, während sie weniger Strom verbrauchen und viel weniger Wärme erzeugen. Diese Eigenschaften sind besonders wichtig für 6G, das mit höheren Frequenzen (Sub-THz- und mmWave-Bändern) arbeiten wird und ultradichte Zelleneinsätze mit einer großen Anzahl von Antennen erfordert.

In einer 6G-Infrastruktur werden PICs voraussichtlich mehrere wichtige Rollen übernehmen:

  • High-Speed-Datenübertragung: Optische Verbindungen, die Multi-Terabit-Gesamtdatenraten zwischen Basisstationen, Rechenzentren und Edge-Knoten übertragen können.
  • Analoge Signalverarbeitung: Photonische Chips für Echtzeitverzögerungs-Strahlformung, HF-Filterung und Phasenverschiebung – unerlässlich für massive MIMO- und Phased-Array-Antennen.
  • Low-Latenz-Schaltung: All-Optischer Paket-Switches, der elektronische Pufferung umgeht und die End-to-End-Latenz auf Mikrosekunden reduziert.
  • Energieeffizienz: Optische Verbindungen, die eine Größenordnung weniger Leistung pro Bit verbrauchen als elektrische Äquivalente, entscheidend für eine nachhaltige Netzwerkskalierung.

Darüber hinaus können PICs mit elektronischen integrierten Schaltungen (Electronic Integrated Circuits, EICs) zu kompakten Frontend-Modulen mit hoher Bandbreite kombiniert werden, was eine wichtige Voraussetzung für die nächste Generation von Basisstations-Transceivern und Kleinzellfunkgeräten darstellt.

Neuere Innovationen in der Photonik-Technologie für integrierte Schaltungen

In den letzten Jahren haben Durchbrüche in der Herstellung, in den Materialien und im Design die Leistung und Reife von PICs für 6G-Anwendungen beschleunigt.

Integration von aktiven und passiven Komponenten auf einem einzigen Chip

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.

Forscher des Massachusetts Institute of Technology berichteten beispielsweise von einer Silizium-Photonik-Plattform, die Quantenpunktlaser, Elektroabsorptionsmodulatoren und Hochgeschwindigkeits-Photodioden auf einem 300-mm-Siliziumwafer integriert. Das resultierende Gerät zeigte eine fehlerfreie Datenübertragung bei 112 Gbps pro Spur - ein bedeutender Schritt in Richtung der für 6G-Backhaul erforderlichen Schnittstellen der Terabit-Klasse. In ähnlicher Weise wurde durch die Zusammenarbeit zwischen dem französischen III-V-Labor und STMicroelectronics ein InP-on-Silizium-PIC hergestellt, der einen verteilten Rückkopplungslaser, einen Mach-Zehnder-Modulator und einen Photodetektor kombiniert Bildfläche von weniger als 1 mm2.

Advanced Materials: Silizium-Photonik, Indium-Phosphid und Graphen

Die Silizium-Photonik ist nach wie vor die dominierende Plattform für die PIC-Herstellung, da sie mit komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Prozessen (CMOS) kompatibel ist. Die indirekte Bandlücke des Siliziums begrenzt jedoch seine Fähigkeit, Licht effizient zu erzeugen.

  • Indiumphosphid (InP): InP kann Licht sowohl erzeugen als auch modulieren, was es ideal für aktive Komponenten macht. Jüngste Innovationen haben InP-Modulatoren auf Bandbreiten von mehr als 110 GHz mit niedrigen Antriebsspannungen, die für die direkte Integration mit CMOS-Treibern geeignet sind, gebracht.
  • ]Siliziumphotonik mit III‐V-Materialien Durch das Verbinden dünner Filme aus InP oder Galliumarsenid auf Siliziumwellenleiter können Hersteller eine monolithische Laserintegration erreichen, ohne die Größenvorteile von CMOS-Gießereien zu opfern.
  • Graphen und 2D-Materialien: Graphen zeigt ultrahohe Trägermobilität und breitbandige optische Absorption, was Modulatoren und Photodetektoren ermöglicht, die über sichtbare bis ins ferne Infrarot-Wellenlängen arbeiten. Im Jahr 2023 demonstrierte ein Team der Universität Manchester einen Graphen-basierten Modulator mit einer Bandbreite von 130 GHz und einem kleinen Footprint, der die Tür zu rekonfigurierbaren photonischen Schaltungen für die 6G-Strahlformung öffnete.

Darüber hinaus hat sich Dünnschicht-Lithiumniobat (TFLN) aufgrund seines starken elektrooptischen Koeffizienten und seines geringen optischen Verlustes als vielversprechendes Material für Modulatoren herausgestellt. Unternehmen wie HyperLight und Forscher der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne haben TFLN-Modulatoren mit Modulationsgeschwindigkeiten über 100 GHz und Halbwellenspannungen unter 1 V demonstriert - ideal für energieeffiziente 6G-Sender.

Miniaturisierung durch Nanofabrikation

Fortschritte in der Tief-Ultraviolett-Lithographie (DUV) und der Ultraviolett-Lithographie (EUV) sowie in der Nanoimprint- und Elektronenstrahllithographie haben kritische Merkmalsgrößen in PICs auf unter 100 nm reduziert. Dies hat Wellenleiter mit Sub-dB/cm-Verlusten, Mikroring-Resonatoren mit Qualitätsfaktoren von über 106 und ultrakompakte Wellenlängenmultiplexer ermöglicht. Eine solche Miniaturisierung reduziert nicht nur die Chipkosten und den Stromverbrauch, sondern ermöglicht auch die Integration von Hunderten von aktiven Komponenten auf einem einzigen Stempel - eine Voraussetzung für massive MIMO- und Phased-Array-Antennenverarbeitung.

Darüber hinaus werden 3D-Stacking-Techniken (z. B. Durch-Silizium-Vias und Wafer-Level-Bonding) für die Photonik angepasst, was eine vertikale Integration von mehrschichtigen photonischen Schaltungen ermöglicht. Dieser Ansatz kann die optische Schicht (niedriger Verlust, hoher Indexkontrast) und die elektronische Schicht (hohe Geschwindigkeit, hohe Dichte) separat optimieren und dann durch optische Vias miteinander verbinden. Mehrere Forschungsgruppen, darunter die der University of California, Santa Barbara und IBM, haben 3D-PICs mit über 100 Interlayer-Verbindungen und funktionalen Datenverbindungen mit 25 Gbps pro Kanal demonstriert.

Integration von Photonik mit elektronischen Schaltungen

Die hybride photonisch-elektronische Integration, oft als "silikonphotonische Transceiver" oder "elektro-photonische ASICs" bezeichnet, reift schnell. Durch die Co-Verpackung eines PIC mit einem High-Speed-CMOS-Treiber- und -Empfängerchip können Designer die Parasiten minimieren, die die Leistung in diskreten Lösungen einschränken. Die neuesten Produkte von Unternehmen wie Intel, Cisco und Broadcom erreichen Datenraten von 800 Gbps pro Modul mit acht Wellenlängenmultiplexspuren mit jeweils 100 Gbps.

Für 6G ist diese Kointegration aus zwei Gründen entscheidend:

  • Beamforming und phased arrays: Jedes Antennenelement erfordert eine präzise Zeitverzögerung, die optisch unter Verwendung abstimmbarer Verzögerungslinien angewendet werden kann.
  • Digital-zu-Analog-Wandlung (DAC): Die analoge Hochgeschwindigkeitssignalerzeugung für Sub-THz-Träger kann direkt im optischen Bereich mit photonischen DACs erfolgen, die eng gekoppelte elektronisch-optische Schnittstellen erfordern, die nur mit Kointegration praktikabel sind.

Im Jahr 2024 stellte ein Forschungskonsortium der Universität Stuttgart und der Nokia Bell Labs einen voll integrierten PIC‐EIC-Transceiver für die 300 GHz-Bandübertragung vor, der einen On‐Chip-Laser, einen InP-Modulator, einen Germanium-Photodetektor und einen SiGe BiCMOS-Treiber enthielt, die alle in einem 10 mm × 10 mm-Paket montiert wurden und 64 Gbps Datenübertragung auf 50 Metern freien Speicherplatz demonstrierten.

Herausforderungen und Grenzen in photonischen integrierten Schaltungen für 6G

Trotz der beeindruckenden Fortschritte müssen mehrere Herausforderungen überwunden werden, bevor PICs in 6G-Netzen in großem Maßstab eingesetzt werden können.

Wärmemanagement

Photonische Bauteile - insbesondere Laser und Modulatoren - sind empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. Mit zunehmender Integrationsdichte wird das thermische Übersprechen zwischen Bauteilen zu einem bedeutenden Problem. So kann die Wellenlänge eines Lasers um 0,1 nm/°C driften, was in einem dichten Wellenlängenmultiplexsystem mit 50 GHz-Kanalabstand zu Übersprechen und Bitfehlern führen kann. Fortgeschrittene mikrofluidische Kühlung, thermoelektrische Kühler und athermale Wellenleiterdesigns (unter Verwendung von Materialien mit entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten) werden untersucht. Durch die zusätzliche thermische Steuerung werden jedoch Kosten und Stromverbrauch erhöht, was die Energieeffizienzgewinne von optischen Leiterbahnen teilweise ausgleicht.

Komplexität und Ertrag der Herstellung

Die Kombination mehrerer Materialsysteme (Silizium, Siliziumnitrid, III‐V, Lithiumniobat, 2D-Materialien) auf einem einzelnen Chip erfordert eine äußerst präzise Verarbeitung. Defekte an Heteroschnittstellen können zu übermäßigem optischen Verlust oder sogar zu einem vollständigen Geräteausfall führen. Die derzeitigen Fab-Ausbeuten für Multimaterial-PICs liegen hinter denen der reinen Silizium-Photonik zurück, die wiederum hinter der Standard-CMOS-Elektronik zurückbleiben. Diese Ausbeutestrafe treibt die Kosten pro guter Düse in die Höhe und begrenzt die Akzeptanz für kostensensible 6G-Infrastruktur. Forscher entwickeln automatisierte Ausrichtungs- und Inspektionstechniken mit Deep Learning, um Fertigungsungleichförmigkeiten in Echtzeit zu identifizieren und zu kompensieren, aber diese Methoden befinden sich noch in der Forschungsphase.

Kostenreduzierung und skalierbare Fertigung

Während die Siliziumphotonik bestehende CMOS-Gießereien nutzt, erhöhen die zusätzlichen Prozessschritte (z. B. Germanium-Epitaxie, Oxidumhüllung, Gitterkoppler) die Waferkosten. Für 6G, wo dichte Einsatzgebiete Dutzende Millionen Transceivermodule erfordern, müssen die Kosten pro Modul für viele kleinzellige Anwendungen unter 10 US-Dollar fallen. Um dies zu erreichen, sind eine höhere Wafer-Integration, Standard-Multiprojekt-Waferläufe und eine optimierte Verpackung erforderlich. Industrieinitiativen wie die European Photonic Integrated Circuit Pilot Line (PIC-PL) und das American Institute for Manufacturing Integrated Photonics (AIM Photonics) arbeiten daran, Open-Access-Fertigungsplattformen und Design-Kit-Bibliotheken zu etablieren, um die Barriere für Neueinsteiger zu senken.

Verpackung und Faserkupplung

Die effiziente Einkopplung von Licht aus dem PIC in Single-Mode-Faser (und umgekehrt) bleibt ein Engpass, insbesondere bei den hohen Dichten, die für Multi-Port-Geräte benötigt werden. Kantenkopplung, Gitterkoppler und Linsenfaseransätze haben jeweils Kompromisse in Verlust, Ausrichtungstoleranz und Bandbreite. Neue Entwicklungen wie Polymer-Wellenleiter-Interposer, photonische Drahtbonds und dreidimensionale gedruckte Strahlexpander, die Kopplungsverluste unter 1 dB pro Schnittstelle erzielen können. Die automatisierte Montage dieser Pakete bei hohem Durchsatz ist jedoch immer noch eine Herausforderung, und die Verpackungskosten übersteigen oft die Chipkosten für Low-Volume-Designs.

Zukünftige Richtungen und aufstrebende Forschung

Die laufende Forschung konzentriert sich auf die Überwindung der oben genannten Herausforderungen und erweitert gleichzeitig die Leistungsgrenze von PICs für 6G.

Skalierbare Fertigung und heterogene Integration

Der nächste große Meilenstein ist die Demonstration eines vollständig monolithischen 6G-Transceiver-PIC auf einer 300-mm-CMOS-Plattform. Dies würde ein zuverlässiges Verfahren zur Integration von III‐V-Lasern, schnellen Modulatoren und Hochgeschwindigkeits-Photodetektoren erfordern, ohne die Leistung des zugrunde liegenden Siliziums zu beeinträchtigen. Mehrere branchennahe Konsortien, darunter die iSiPP50G-Plattform von IMEC und das NSF-Zentrum für photonische Integration, entwickeln aktiv Prozesse, die mehrere aktive Schichten unter Verwendung von Waferbond und selektiver Epitaxie kombinieren. Erste Ergebnisse zeigen, dass Laser mit einer Genauigkeit von unter Mikrometern auf einem 300-mm-Wafer platziert werden können, mit Ausbeuten von über 90% für einfache Teststrukturen.

Steigerung der Integrationsdichte

Da die Anzahl der Antennenelemente in 6G massiven MIMO-Arrays wächst (potenziell in die Tausende), muss das photonische Strahlformungsnetzwerk ebenfalls skalieren. Forscher erforschen zweidimensionale Wellenleiter-Arrays, optische Phasengeschwindigkeitsabstimmung und wellenlängenselektierbare Verzögerungselemente, um Tausende von gleichzeitigen Phasenverschiebungen zu bewältigen. In einem kürzlich erschienenen Artikel der University of California, Davis, wurde eine photonische integrierte Schaltung für 128 x 128 Strahlformung beschrieben, die ein passives optisches Speisenetzwerk in Kombination mit Silizium-Photonikschaltern verwendet. Der Chip belegte 30 mm2 und verbrauchte 50 mW pro Antennenelement - ein Faktor von 10 Verbesserung gegenüber elektronischen Lösungen.

Verbesserte Energieeffizienz

Energie pro Bit ist eine entscheidende Metrik für 6G, insbesondere in batteriebetriebenen Edge-Geräten. Aufkommende Techniken wie optische Reservoir-Computing, integrierte photonische neuromorphe Prozessoren und kohärente Detektionsschemata versprechen, die Energie pro Bit für Kurzstreckenverbindungen unter 1 pJ/Bit zu senken. Darüber hinaus untersuchen Forscher Architekturen, die die Notwendigkeit einer optisch-elektronischen-optischen Umwandlung in viele Netzwerkknoten eliminieren und durch rein optische Schalter und Wellenlängenwandler ersetzen. Solche "optischen Bypass" -Designs können den Stromverbrauch um bis zu 80% im Kernnetz-Routing reduzieren.

Erweiterung der operativen Bandbreiten

6G wird wahrscheinlich im Sub-THz-Spektrum (100–300 GHz) und in den oberen mmWave-Bändern (60–90 GHz) arbeiten. Photonische Komponenten, die diese Frequenzen verarbeiten können, müssen extrem schnelle Modulations- und Detektionsmöglichkeiten haben. Jüngste Arbeiten an plasmonisch-photonischen Hybridgeräten haben Modulatoren mit Bandbreiten von mehr als 300 GHz gezeigt. Ähnliche Untersuchungen haben auch graphenbasierte Photodetektoren Reaktionszeiten unter 2 Pikosekunden gezeigt. Durch die Kombination dieser ultraschnellen Komponenten mit Breitbandantennen wollen die Forscher einen vollständig photonischen Transceiver schaffen, der mehrere Frequenzbänder abdeckt, ohne dass separate elektronische Mischer erforderlich sind.

Künstliche Intelligenz und Machine Learning für PIC Design

Maschinelles Lernen spielt eine immer wichtigere Rolle bei der Gestaltung und Optimierung von photonischen integrierten Schaltungen. Inverse Design-Algorithmen, bei denen die gewünschte optische Funktion angegeben wird und der Computer die optimale Geometrie erzeugt, ermöglichen Geräte mit einer Leistung, die über intuitive Designs hinausgeht. KI wird auch verwendet, um die Auswirkungen von Fertigungsvariationen vorherzusagen und durch aktive Steuerungsschaltungen zu kompensieren. Mehrere Gießereien bieten jetzt Design-for-Manufacturing-Regeln an, die durch Machine-Learning-Modelle informiert werden, die auf Tausenden von hergestellten Teststrukturen trainiert werden.

Anwendungen in 6G-Netzwerken

Über die Kerntechnologie hinaus wird die Integration von PICs in 6G-Netze spezifische Anwendungsfälle ermöglichen, die mit reiner Elektronik nicht möglich sind.

Holographisches Strahlbild

True-time delay (TTD) beamforming ist eine wichtige Anwendung, bei der photonische Verzögerungen eine überlegene Phasenpräzision und eine große momentane Bandbreite bieten. Durch die Verwendung geschalteter Verzögerungslinien in der Siliziumphotonik kann ein Beamformer Strahlen mit einer Punktgenauigkeit von 0,1° über ein 120°-Sichtfeld lenken und Multi-Gbps-Datenströme unterstützen. Dies ist für das dynamische Beam-Management von 6G unerlässlich, bei dem Strahlen in Mikrosekunden neu ausgerichtet werden müssen, um sich bewegende Benutzer oder Fahrzeuge zu verfolgen.

Massive MIMO und rekonfigurierbare intelligente Oberflächen

Massive MIMO mit hunderten oder tausenden Antennenelementen erzeugt eine enorme Signalverarbeitung. Photonische integrierte Schaltungen können die analoge Strahlformung und Vorcodierung direkt im optischen Bereich durchführen und so die digitale Rechenlast drastisch reduzieren. Zusätzlich können rekonfigurierbare intelligente Oberflächen (RIS) mit Arrays von photonischen Phasenschiebern mit geringem Stromverbrauch aufgebaut werden, was eine passive Strahllenkung ohne aktive Elektronik ermöglicht. Dieser Ansatz könnte den Stromverbrauch pro RIS-Element um das über 100-fache im Vergleich zu elektronischen Alternativen reduzieren.

Für ultra-hochschnelle Backhaul- und Fronthaul-Verbindungen (z. B. zwischen Basisstationen oder zu einer Zentrale) können photonische Transceiver, die im 100-300-GHz-Band betrieben werden, Datenraten von mehr als 100 Gbps über Entfernungen von mehreren Kilometern bereitstellen. Die hohe Phasenstabilität photonischer lokaler Oszillatoren in Kombination mit breitbandigen Photodioden ermöglicht eine vollständige kohärente Detektion von THz-Signalen. Mehrere Feldversuche haben unter Verwendung photonischer THz-Quellen und Detektoren eine Over-the-Air-Übertragung bei 256 Gbps gezeigt.

Edge- und Data Center-Verbindungen

6G-Kernnetze erfordern eine massive Konnektivität von Rechenzentren mit optischen Verbindungen, die mit verteilten KI-Workloads Schritt halten können. Integrierte Photonik wird bereits in Rechenzentren für hochdichte Transceiver eingesetzt, und 6G wird dies auf verteilte Edge-Knoten ausdehnen. PICs, die 5-10-Wellenlängenmultiplexkanäle mit jeweils 400 Gbps in einem Single-Chip-Paket kombinieren können, werden für die 10-Terabit-Aggregat-Schnittstellen, die in 6G-Rechenzentren erwartet werden, von entscheidender Bedeutung sein.

Schlussfolgerung

Photonische integrierte Schaltungen bewegen sich vom Labor in das reale 6G-Prototyping, angetrieben durch Durchbrüche in Material, Integration und Fertigung. Die Fähigkeit, Licht auf einem kompakten, stromarmen Chip zu erzeugen, zu manipulieren und zu detektieren, macht PICs zu einer natürlichen Passform für die extremen Leistungsanforderungen der nächsten Generation von drahtlosen Netzwerken. Während Herausforderungen im Wärmemanagement, der Fertigungsausbeute und der Verpackung bestehen bleiben, schließen die beschleunigten Investitionen sowohl öffentlicher Forschungsorganisationen als auch der Privatindustrie die Lücke schnell.

Für weitere Lektüre siehe den Optica Photonics Report on 6G, das IEEE Journal of Lightwave Technology Special Issue on 6G Photonics und den ]Nature Light: Science & Applications Artikel über Graphen-Photodetektoren.