Fotoninen vallankumous ajo 6G verkostot

Langaton viestintä lähestyy perussuuntauspistettä. 5G:n ollessa vielä käynnissä tutkijat määrittelevät jo 6G:n vaatimukset, jotka lupaavat toimittaa datan määrät jopa 1 Tbps, alimillisekunnin latenssi ja valtavat yhteydet miljardeille esineiden internetin (IoT) laitteille. Näiden vaatimusten täyttäminen edellyttää paradigman siirtymistä puhtaasti elektronisista menetelmistä fotonisiin teknologioihin, jotka lisäävät valoa signaalien tuottamiseen, modulointiin, siirtoon ja havaitsemiseen. Fotoniikka tarjoaa ainoan skaalautuvan polun terahertsitaajuuksiin ja erittäin korkeaan kaistanleveydelle, johon 6G luottaa.

Fotoniikka-pohjaiset järjestelmät käyttävät valoa sähkövirtojen sijasta kuljettaa tietoa, perien fyysisten etujen optisten kuitujen ... valtava kaistanleveys, alhainen signaalin heikkeneminen, ja minimaalinen lämmöntuotanto . Samalla mukauttaa niitä langattomiin etu- ja takamatkalinkkeihin. Yhdistämällä fotonisia komponentteja suoraan tukiasemiin, antenneihin ja datakeskuksiin 6G-verkot voivat tukea reaaliaikaista holografista viestintää, autonominen ajoneuvon koordinointi ja korkeauskoisuus sekalaiset todellisuuskokemukset.

Fotoniikan perusrooli 6G-arkkitehtuurissa

Toisin kuin aikaisemmat liikkuvat sukupolvet, 6G toimii laaja-alaisen alueen poikki sub-6 GHz:stä millimetriaaltoon (mmWave) THz:n alueelle (yli 100 GHz). Elektroniset piirit kamppailevat luodakseen ja käsitelläkseen signaaleja tällaisilla korkeilla taajuuksilla loiskapasitanssin, tehon hajautumisen ja rajoitetun modulaatiokaistanleveyden vuoksi. Fotoniset teknologiat voivat voittaa nämä rajoitukset käyttämällä optisia lähteitä, muuntimia ja ilmaisimia, jotka pystyvät käsittelemään monigigahertsiä terahertsisignaaleja erinomaisella lineaarisuudella ja matalalla vaihemelulla.

Miksi valot Outperforms Electrons

Fotoniikan keskeinen etu 6G:ssä on kyky tuottaa ja manipuloida signaaleja taajuuksilla, jotka ovat paljon piipohjaisen elektroniikan ulottumattomissa. Esimerkiksi optinen heterodynaaminen ...se, että kaksi hieman detoitua lasersävyä ... voi tuottaa jatkuvaaaltosignaaleja muutamasta GHz:stä useisiin THz:iin, mikä mahdollistaa tarkan kantoaaltojen tuottamisen suuritehoisille radioyhteyksille. Lisäksi fotonisen signaalin käsittely välttää sähköisten vahvistimien ja sekoittimien kaistanleveyden rajoittavia vaikutuksia, jotka säilyttävät signaalien uskollisuuden pitkillä matkoilla.

Avain 6G Käytä tapauksia, jotka vaativat fotoniikkaa

  • Ultra-korkean määritelmän hologrammipuhelut, jotka edellyttävät tietojen nopeuksia yli 10 Gbps käyttäjää kohti.
  • Massive sensor networks[ älykkäiden kaupunkien ja tehtaan automaatio alimillisekunnin latenssi.
  • Jakautunut antenni- ja vedenalainen viestintä[, jossa sähkömagneettiset vaimennukset ovat kohtuuttomia, mutta laserpohjaiset vapaa-avaruuden optiset yhteydet voivat toimia.
  • Todellinen digitaalinen kaksoissynkronointi[] hajautettujen reunadatakeskusten välillä.

Ilman fotoniikkaa näitä sovelluksia olisi mahdotonta toteuttaa mittakaavassa, koska sähköisten radiotaajuusketjujen teho ja kaistanleveys on valtava.

Viimeaikaiset läpimurrot fotonisissa komponenteissa 6G:lle

Viimeisen viiden vuoden aikana on tapahtunut merkittävää edistystä, joka on siirtynyt fotoniikkaosista laboratoriouteliaisuuteen ja käyttökelpoisiin osajärjestelmän prototyyppeihin. Neljä aluetta erottuu toisistaan: integroidut fotonipiirit, ultranopeat modulaattorit, fotonikytkimet ja fotonipohjaiset säteenmuodostusjärjestelmät.

Integroidut fotonipiirit (PIC)

Elektronisten integroitujen piirien analogiset fotonipiirit yhdistävät laserit, modulaattorit, vahvistimet, ilmaisimet ja multiplekserit yhdellä sirulla. Pii fotoniikan käyttö alustana on kehittynyt nopeasti, koska se hyödyntää täydentäviä metallioksidipuolijohteita (CMOS) valmistusprosesseja, vähentää kustannuksia ja mahdollistaa piikiekkojen kokoluokan tuotannon. Southamptonin yliopiston kaltaiset laitokset ovat osoittaneet PIC-laitteita, jotka pystyvät käsittelemään 112 Gbaud-kompleksista modulointiformaatteja, jotka ovat suoraan merkityksellisiä 6G-tukiasemien kannalta.

Toinen lupaava alusta on indiumfosfidi (InP), joka tarjoaa tehokkaan valontuotannon ja nopean moduloinnin yhden sirun sisällä. Yritykset, kuten Lumentum, ovat ottaneet käyttöön kypsiä InP PIC-laitteita, jotka mahdollistavat THz-kaistan langattoman etu- ja etumatkan langattomien yhteyksien uudelleenkäytön.

Korkean nopeuden sähköoptiset muuntimet

Datan koodaaminen valokeilaan THz-nopeuksilla vaatii muuntimia, joiden modulaatiokaistanleveys on yli 100 GHz. Perinteinen litiumniobaatti (LinbO3) Mach-Zehnder-modulaattorit korvataan nyt ohutkalvo-litiumniobaatti (TFLN) -modulaattoreilla, jotka saavuttavat modulaatiokaistanleveyden yli 170 GHz ja matalan käyttöjännitteen, kuten IEEE Journal of Lightwave Technology -julkaisussa osoitetaan. Grafeenipohjaiset muuntimet ovat myös lupaavia ja tarjoavat ultralaajakaistaista vastetta (mahdollisesti > 500 GHz) ja integroitumista piiaaltoaaltoaaltoaaltoihin, vaikkakin nykyiset laitteet kärsivät edelleen rajallisesta optisesta modulaatioampliteetista.

Advanced Photonic Switchs

6G-verkossa dynaaminen liikenteenohjaus ja uudelleenkonfigurointi ovat välttämättömiä erityisesti tiheässä kaupunkiympäristössä ja matkaviestinverkoissa. Mikrosähkömekaanisiin järjestelmiin (MEMS) ja piin nestekideeseen (LCOS) perustuvat fotonikytkimet voivat säätää optisia polkuja mikrosekunnissa ilman, että ne irrottavat sähköisten ristitankojen lämpöä. Uusin fotonipakkauskytkimen sukupolvi, kuten Polariton Technologies, saavuttaa kytkentäajat alle 100 nanosekuntia .

Fotoninen säteiden muotoilu THz-antenneille

Kapeiden THz-säteiden käyttö edellyttää vaiheistettuja antenneja, joissa on useita vaiheohjausta vaativia elementtejä. Elektroniset vaihemuuntimet aiheuttavat sietämättömiä hävikkejä ja tehonkulutusta THz-taajuuksilla. Valonlähdesäteen muodostaminen, jossa käytetään optisia viiveitä ja optista ruiskutuksen lukitusta ohjattavissa olevien vaihesiirtojen luomiseksi, on osoitettu []2023-tutkimuksessa Optica[]-tutkimuksessa, jossa 64-elementtinen järjestelmä toimii 300 GHz:n taajuuksilla. Nämä järjestelmät voivat ohjata valosäteitä sekä atsimuutissa että korkeussijassa aliasteen tarkkuudella, jolloin ne mahdollistavat massiiviset monitehoiset tulostusjärjestelmät (MIMOMO) jotka 6G luottaa 6G:n hyötyo.

Integraation ja ympäristöhaasteiden voittaminen

Vaikuttavasta laboratorion virstanpylväästä huolimatta fotonisten 6G-järjestelmien käytännön käyttöönotto kohtaa useita esteitä, joihin tutkijat ovat aktiivisesti puuttumassa.

Integrointi sähköisiin YMJ:ihin

Fotonisten komponenttien on oltava saumattomasti yhteydessä digitaalista modulointia, koodausta ja protokollapinoja käsitteleviin elektronisiin peruskaistan käsittelyyksiköihin. Nykyinen lähestymistapa sisältää hybridisirun pinoamisen (jossa fotoniikka on flip-siru, joka on liitetty sähköiseen ASIC:iin) ja monoliitti-integraation (kasvu III-V fotoniikkaa suoraan piille). Jälkimmäinen on edelleen haastava latinoepäsuhdan vuoksi, mutta Si:n hiljattain tekemä työ on osoittanut lupaavan huonelämpötilan jatkuvan aaltotoiminnan SPIE News[.

Lämpötilojen hallinta

Fotoniset piirit eivät ole immuuneja kuumuudelle. Laserit tuottavat merkittäviä lämpökuormitusta ja modulaattoreiden ja ilmaisimien suorituskyky heikkenee lämpötilan myötä. Edistyneitä lämpöratkaisuja, kuten mikronestejä jäähdyttävää ja timanttilämmönlevittimiä, tutkitaan. Fotonisten komponenttien sulattaminen suoraan antennimoduuleihin, joissa on vähän lämpöä kestävät substraatit, voivat pitää liitoslämpötilat sallituissa rajoissa.

Kustannukset ja valmistustuotto

Silikoni fotoniikka on menossa johtava kustannusten alentamiseen, koska nykyinen CMOS ekosysteemi, mutta erikoistuneet prosessit litium-niobaatti ja InP edelleen kalliita. Ala työskentelee valimo-pohjainen moniprojekti wafer ajoja, joiden avulla tutkijat ja startups prototyyppi edullisemmin. []AIM Photonics[ ohjelma Yhdysvalloissa on yksi tällainen aloite, joka on nopeuttanut siirtymistä lab fab.

Signaalin eheys ja melu THz-alueella

Yli 100 GHz:n taajuuksilla optisten komponenttien on vähennettävä laserfaasivaihteluista ja suhteellisesta voimakkuudesta johtuvaa melua (RIN). Kapealinjaisten kaistanleveyslaserien ja tasapainoisten havaitsemisjärjestelmien käytöstä on tulossa vakio. Lisäksi fotonipohjaisia analogisia digitaalisia muuntimia (ADC), jotka ottavat suoraan näytteitä optisista THz-aaltomuodoista, tutkitaan useiden alasuuntausten poistamiseksi ja siten signaalin laadun säilyttämiseksi.

Tulevaisuuden ohjeet: Kvanttitehostetut fotoniikka ja tekoälyintegraatio

Vuoden 2030 jälkeen kaksi uutta suuntausta vahvistaa edelleen fotoniikan roolia 6G:ssä.

Kvanttiavaimen jakelu ja käsittely

6G:n suojattuun viestintään liittyy todennäköisesti kvanttiavaimen jakelu (QKD), joka on integroitu fotoniinfrastruktuuriin. Fotoniset prosessorit, jotka voivat manipuloida yksittäisiä fotoneja kvanttivirheiden korjaamiseen ja yhdistämiseen, ovat kehitteillä. Nämä voisivat lopulta tarjota sekä kommunikaatio- että laskentaominaisuuksia samassa optisessa kankaassa, jolloin 6G-verkot ovat luonnostaan turvallisia kvanttihyökkäyksiä vastaan.

Koneoppiminen fotonisen verkon ohjaukseen

Tekoäly ja koneoppimisen algoritmeja koulutetaan fotonijärjestelmän parametreihin . Tekoäly ja koneoppiminen ovat . Tekoälyn ja koneoppimisen algoritmeja koulutetaan fotonijärjestelmän parametreihin, kuten laserajoon, kuituun epälineaarisuuteen ja antennivaiheen virhelinjaukseen . Tällaisesta AI-ohjatusta ohjaimesta tulee vakiotoiminto seuraavan sukupolven fotoniikka-yhteensopivissa tukiasemissa.

Päätelmät

Fotoniset teknologiat eivät ole vain 6G:n lisäparannus; ne ovat terahertsidatan siirron, ultra-low latenssin ja massiivisten yhteyksien keskeinen mahdollistaja, joita seuraavan sukupolven langattomat verkot vaativat. Integroitujen fotonipiirien, nopeiden muuntimien, fotonikytkimien ja säteenmuodostuksen alalla on jo selvitetty merkittäviä teknisiä esteitä. Jäljelle jääviin haasteisiin, lämpöjohtamiseen, elektroniikan kanssa tapahtuvaan integrointiin ja kustannusten vähentämiseen puututaan yhteistyössä akateemisten, teollisuuden ja hallitusten konsortioiden kanssa.

Kun fotoniikkakomponentit kypsyvät ja siirtyvät laboratorioprototyypeistä kenttäkäyttöön, voimme odottaa 6G-verkkojen pitävän lupauksensa täysin yhdistetystä, korkeauskoisesta digitaalisesta kokemuksesta. Valoon perustuvan viestinnän ja älykkäiden ohjausjärjestelmien avioliitto avaa sovelluksia, joita nykyään on vain science fictionissa, reaaliaikaisista holografisista kokouksista etäkirurgiaan ja sen jälkeen. 6G:n fotoninen vallankumous on jo käynnissä ja sen vaikutus tuntuu tulevina vuosikymmeninä.