כביקוש העולמי לתקשורת אלחוטית מהירה יותר, אמינה יותר מאיצה, החוקרים פונים יותר ויותר מעגלים משולבים פוטוניקה (PICs) כדי לעמוד ביעדים הקיצוניים של רשתות הדור השישי (6G) בניגוד לאלקטרוניקה קונבנציונלית שמסתמך על אותות חשמליים, PICs משתמשים photons כדי לשדר, לעבד, ולנתב מידע, המציע יתרונות בסיסיים רוחב פס, יעילות כוח, וחסינות אלקטרומגנטית.

מאמר זה סוקר את ההחידושים האחרונים במעגלים המשולבים פוטוניים עבור העברת נתונים של 6G, המכסה את ההתקדמות בחומרים, שילוב רכיב, טכניקות ייצור ועיצוב ברמה המערכת.זה גם בוחן אתגרים מתמיד ומקווים את כיוונים המחקר אשר יעצבו את הדור הבא של חיבורים אופטיים מהירים.

תפקיד מעגלי Photonic Integrated Circles ב 6G

מעגלים משולבים Photonic הם מכשירים מיניים המשלבים פונקציות אופטיות מרובות - כגון דור אור, מודולציה, זיהוי ו routing - על שבב אחד. על ידי החלפת קישורים חשמליים עם מסלולים אופטיים, PICs יכול לשאת באופן משמעותי יותר נתונים תוך צריכת פחות כוח ויצירה פחות חום. מאפיינים אלה חשובים במיוחד עבור 6G, אשר יפעלו בתדרים גבוהים יותר (subz ו- mmWa) דורשים להקות אולטרה סגולות.

בתשתיות 6G צפויים PICs לבצע מספר תפקידים קריטיים:

  • (FLT:0) העברת נתונים מהירה:FLT:1ir קישורים אופטיים שיכולים לשאת שיעורי נתונים מצטברים רב-טרביט בין תחנות בסיס, מרכזי נתונים, ונקודות קצה.
  • עיבוד אותות:0 (Analog Signal processing:FLT:1Buildnic צ'יפס עבור עיכוב בזמן אמת, מסנן RF, ושינויים שלב - חיוני עבור אנטנה מסיבית MIMO ו בשלב זה של אנטנות.
  • (FLT:0)Low-latency מעבר:FIRLT:1) מתגי החבילה האופטיים שתוקפים מחנק אלקטרוני, צמצום הסבלנות מקצה לקצה למיקרו-שניות.
  • יעילות:0 (Energyיעילות: 1) קישורים אופטיים שצורכים סדר גודל פחות כוח ביחס לשווי חשמל, קריטי עבור דרוג רשת בר קיימא.

בנוסף, PICs יכול להיות ארוז עם מעגלים משולבים אלקטרוניים (EICs) כדי ליצור מודולים חזיתיים קומפקטיים, גבוה פסוויד. שילוב היברידי זה הוא מנע מרכזי לדור הבא של תחנת בסיס transceivers ורדיו תאים קטנים.

חידושים אחרונים ב Photonic Integrated Circle Technology

בשנים האחרונות, פריצות דרך במרקם, חומרים ועיצוב מאיצים את הביצועים והבשלות של PICs עבור 6G יישומים. להלן הן ההתפתחויות המשמעותיות ביותר.

שילוב של משתתפים פעילים ופסיביים על צ'יפ יחיד

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.

לדוגמה, חוקרים במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס דיווחו על פלטפורמה פוטוניקה סיליקון המשלבת לייזרים קוונטיים-דואט, אלקטרו-אבסולנטים, וצילומים מהירים במהירות גבוהה על סיליקון 300 מ"מ wfer.המכשיר המתקבל הראה העברת נתונים ללא שגיאות ב-112 Gbps לכל נתיב - צעד משמעותי לעבר ממשקי ה- tbit הנדרשים ל- 6G לאחור, בדומה לעבודה משותפת של מעבדי לייזר מסוג STD2D2, מאשר ב-FD2D.

חומרים מתקדמים: סיליקון Photonics, Indium Phosphide ו Graphene

פוטוניקה של הסיליקון נותרה הפלטפורמה הדומיננטית של ייצור PIC בגלל תאימות שלה עם תהליכי מתכת-חמצני-פחמיים-המוליכים (CMOS) עם זאת, ה-Switched של סיליקון מגביל את יכולתה לייצר אור ביעילות.

  • (FLT:0) InInInP): InP; InP: InP (InP): InP (InP) יכול גם לייצר ולעצב אור במהירויות גבוהות, מה שהופך אותו אידיאלי עבור רכיבים פעילים.החידושים האחרונים דחפו את המודולטורים של InP לפס רוחב פס מעל 110 GHz, עם מתחים נמוכים המתאימים לשילוב ישיר עם מנהלי CMOS.
  • (FLT:0) phonics עם חומרי 3-V:FLT 1 על ידי יצירת סרטים דקים של InP או arsenide על גבי גל הסיליקון, יצרנים יכולים להשיג שילוב לייזר מונוליטי ללא הקרבת הכלכלות של קנה מידה מ CMOS שנמצאו.
  • (FLT:0Graphene ו 2D חומרים:ראה גרף 1) Graphene מציג ניידות גבוהה נושאת גבוהה וקליטת פס רחב אופטי, המאפשרת מודולטורים ו photodetectors הפועלים ברחבי גלוי עד אורכי גל מרוחקים עד כה.ב-2023, צוות באוניברסיטת מנצ'סטר הראה מודולטור מבוסס גרפן עם רוחב פס של 130GHz ופרק קטן, ל- 6Gconfig כדי לשחזר את המעגל.

בנוסף, ליתיום פיליום ניבייט (TFLN) התפתח כחומר מבטיח עבור מודולטורים בשל התקני אלקטרו-אופטיקה החזקים שלה והפסד אופטי נמוך. חברות כמו HyperLight וחוקרים במכון הפדרלי השוויצרי לטכנולוגיה לוזאן הראו את TFLN מודולטורים עם מהירויות מודולציה מעבר ל -100 GHz וחצי גלימות מתחת 1 V - אידיאלי עבור אנרגיה 6Gefficientsanne.

מינימום באמצעות Nanofabrication

ההתקדמות בלימוזינה עמוקה (DUV) ו- אולטרה סגולה קיצונית (EUV) ליתוגרפיה, כמו גם nanoimprint ו- אלקטרונים-beam lithography, הפחיתו את הגדלים הקריטיים ב PICs עד מתחת 100 nm. זה איפשר גלים עם רכיבים מוקדמים של שבבים תת-dB / הפסדים, מיקרוטור עם גורמי איכות העולה על 106, ו-Common-up-up-up-up-up-diacter של מאות רכיבים אלה, אך גם מאפשר עיבוד מוקדם של צריכת יחידיטרנטימיים לא רק עלות יחיד של צריכת יחיד ולהפחית את רכיבי כוח יחיד של צריכת יחיד של צריכת יחיד של פחות מצמצם רק עלות רק עלות.

יתר על כן, טכניקות ערימה 3D (למשל, באמצעות silicon באמצעות ו- pufer-level אג'ינג) מותאמות לפוטניקה, ומאפשרות שילוב אנכי של מעגלים פוטוניים רב-שכבות. גישה זו יכולה להתאים בנפרד את השכבה האופטית (אובדן נמוך, אינדקס גבוה) ואת השכבה האלקטרונית (מהירות גבוהה, צפיפות גבוהה), ולאחר מכן בין אותם באמצעות קבוצות אופטיות, כולל אלה של אוניברסיטת CDb, אשר הוכיחו ב , ו , עם למעלה מ , 25 קישורים פונקציונליים, ו , ו , ו , , ב , 000 CCCD, 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000

שילוב של Photonics עם מעגלים אלקטרוניים

שילוב פוטוניקה-אלקטרוניקה היברידי - המכונה לעתים קרובות " transceivers פוטוניים פוטוניים" או "אלקטרוני פוטוניקה ASICs" - הוא מצלצל במהירות. על ידי אריזה PIC עם נהג במהירות גבוהה CMOS ו שבב מקלט, מעצבים יכולים למזער את הטפילים המגדירים ביצועים בפתרונות דיסקרטיים.

עבור 6G, האינטגרציה הזו היא קריטית משתי סיבות:

  • (FLT:0)Beamforming ו-שלבי מערך: ההרחבה 1 (בקיצור: ⁇ ) כל אלמנט אנטנה דורש עיכוב זמן מדויק שניתן ליישם באופן אופטי באמצעות קווי עיכוב טונה.
  • (FLT:0)Digital-to-analog ההמרה (DACRE): הדור הראשון של אות אנלוגי מהיר עבור ספקים תת-THz ניתן לבצע ישירות בתחום אופטי באמצעות DACs פוטוניקה.המכשירים האלה דורשים ממשקים אלקטרוניים-אופטיים חד-אופטיים, אשר הם רק מעשיים עם אינטגרציה.

בשנת 2024, קונסורציום מחקר שכלל את אוניברסיטת שטוטגרט ו-Nokia Bell Labs הציגה את PIC-EIC transceiver המשולב במלואו עבור 300 GHz שידור הלהקה.המודול הכיל לייזר על שבב, ממודולטור InP, פוטודקטור גרמני פוטו-דימיום, ונהג SiGe BiCMOS - הכל התאספו ב 10 מ"מ - 64bting נתונים חינם של שטח GPS.

אתגרים ומגבלות במעגלות המשולבים Photonic עבור 6G

למרות ההתקדמות המרשימה, יש להתגבר על מספר אתגרים לפני ש- PICs ניתן לפרוס בקנה מידה ברשתות 6G.

ניהול ארס

רכיבים פוטוניים – במיוחד לייזרים ומודולטורים – רגישים לתנודות טמפרטורה.כפי שדחיסות האינטגרציה עולה, דיבור בין רכיבים הופך לבעיה משמעותית.לדוגמה, אורך הגל של לייזר יכול להיסחף על ידי 0m / ° C, אשר בגל באורך גלי חום דחוס של מספרי גליון בין רכיבים הופכת לבעיה משמעותית.

מורכבות ו-Yeld

שילוב של מערכות חומר מרובות (silicon, סיליקון nitride, III-V, ליתיום niobate, 2D חומרים) על שבב אחד דורש עיבוד מדויק מאוד. Defects at Hetero-interfaces יכול לגרום לאובדן אופטי מופרז או אפילו לא שלם של חומר זה תשואות הפאב הנוכחי עבור ריבוי חומרים PICs lag מאחורי אלה של תמונות סיליקון טהור, אשר בתור CM שלילי מאחורי הטכניקות אלה הם חיובי כדי לשחזר את העלות.

עלויות ניכוי וייצור סקאלה

בעוד פוטוניקה סיליקון ממינוף של CMOS קיימות, את השלבים הנוספים (למשל, גרמניה אפיסי, תחמוצת תחמוצת תחמוצת CMOS, עלייה של גליצר (עבור 6G, שבו פריסות צפופות עשויות לדרוש עשרות מיליוני מודולים טרנסצניים (Integrated Transcenicr) מודול העלות להורדת מתחת 10 עבור יישומים קטנים.Achieving זה ידרוש שילוב גבוה יותר, כגון אריזות משולבות סטנדרטיות) ו-Ric מעבדות (Integrated Industry) Integrated Industry-APTic Opencast) Integrated Industry Opencasteric Opencast) Integrated Industry Opencasteric Opene) Integrated Industrial Design (Integrated Industrial Design.

חבילות ו-Sefi Coupling

אור הפיכה יעיל מן PIC ל סיבי חד-פעמי (והפך) נשאר צוואר בקבוק, במיוחד במגוון גבוה של תצפיות הדרושות עבור מכשירים רב-פורט. Edge הפיכה, מגרדים, סיבים עדשה גישות כל אחד יש עצירות מסחר בהפסד, סובלנות, ופס רוחב פס חדש כוללים interposers גלימה, אג"ח פוטוני, ושלושת חלקיקים ניתן להגדיל לעתים קרובות עלות נמוכות של שבבים, אך ורק עלות גבוהה.

כיוונים עתידיים ומחקרים עתידיים

מחקר מתמשך מתמקד להתגבר על האתגרים לעיל תוך דחיפה של המעטפה הביצועית של PICs עבור 6G.

ייצור סקאלה ושילוב heterogeneous

אבן הדרך העיקרית הבאה היא ההפגנה של מונוליטי 6G transceive PIC על פלטפורמה 300 מ"מ CMOS. זה ידרוש שיטה אמינה לשילוב לייזרים III-V, מודולים מהירים, ו photodetectors במהירות גבוהה ללא דהה את הביצועים של סיליקון בסיסי.כמה ארקדיאקציה תעשייתית-אקדמית, כולל ISPPSiPPSIPP50 של IMEC הם שילוב של תהליכי לייזר ו-STM עם רמות.

הגדלת ההכחשה

כמו מספר אלמנטים אנטנה ב 6G מסיבי MIMO מערך גדל (במובן מסוים לתוך אלפי), רשת beamforming photonic חייב גם בקנה מידה. חוקרים לחקור מערךים גל דו-ממדיים, מהירות שלב אופטית כוונון, וגל אורכי אורכי אורכי גל יכולים לטפל באלפי שינויים שלב בו זמנית. a נייר שפורסם לאחרונה מאוניברסיטת קליפורניה, דייוויס תיאר מעגל משולב עבור 128x128 000 אינץ 'מ' באמצעות זרם אופטי של 10 אינץ 'מ' עם 10.

אנרגיה מוגברת

אנרגיה ל bit היא מדד קריטי עבור 6G, במיוחד במכשירי קצה מופעלים סוללות.טכניקות כגון מחשוב מאגר אופטי, מעבדי נוירומורפי משולב, ותכניות זיהוי קוהרנטיות מבטיחות להוריד את האנרגיה לפחות מתחת 1 pJ /bit עבור קישורים קצרי נשימה.בנוסף, החוקרים חוקרים ארכיטקטורות כי לחסל את הצורך עבור אופטית-ל-ל-אופטי-אופטי-אופטיקה-ל-ל-אופטיקה-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-ל-אופטיקה-ל-ל-ל-אופטיקה-ל-על-על-על-על-על-על-על-על-על-על-על-על-על-ידי רבים אינם יכולים להפחית את כל אלה עם כל אלה כדי להחליף את כל אלה עם עיצובים-ידי גירויים-ידי שימושים-ידי שימושים-ידי שימושים-ידי לייזר-ידי לייזר-ידי שימושים-על-על-על-ידי שימושים-ידי שימושים-ידי שימושים-ידי שימוש בתבניות של אנרגיה-ידי שימוש-ידי שימושים-ידי שימוש-ידי שימוש-ידי שימוש-ידי שימוש-ידי שימוש-ידי שימוש-ידי שימוש-ידי שימוש-ידי שימוש-ידי שימוש-ידי

הרחבת המבצע

6G כנראה יפעל בספקטרום תת-THz (100-300 GHz) ואת להקות מ"מ העליון (60-90 GHz) רכיבי Photonic שיכולים להתמודד עם תדרים אלה חייב להיות מאוד מהיר וזיהוי.עבודה עדכנית על plasmonic-Photonic מכשירים היברידיים הראו מודולטורים עם רוחב פס מעל 300 GHz.

אינטליגנציה מלאכותית ולמידה של מכונות עבור עיצוב PIC

למידת מכונה ממלאת תפקיד חשוב יותר בעיצוב וקידוד מעגלים משולבים פוטוניים.אלגוריתמים עיצוביים הפוכה - שבו הפונקציה אופטית הרצויה מפורטת והמחשב מייצר את הגיאומטריה האופטימלית - מאפשר מכשירים עם ביצועים העולה על עיצובים אינטואיטיביים. AI משמש גם כדי לחזות את ההשפעות של וריאציות ייצור וכדי לפצות עליהם באמצעות מעגל בקרה פעיל.

יישומים ב-6G Networks

מעבר לטכנולוגיה הליבה, שילוב של רשתות PICs ל- 6G יאפשר מקרים ספציפיים לשימוש שאינם אפשריים עם אלקטרוניקה טהורה.

המונחים: Holographic beamforming

עיכוב בזמן אמת (TTD) beamforming הוא יישום מפתח שבו עיכובים פוטוניים מציעים דיוק שלב מעולה רוחב פס מיידי רחב.על ידי שימוש קווי עיכובים מפוסלים בפוטניקה סיליקון, a beamformer יכול לנווט דבורים על פני שטח 120 מעלות של ראייה עם דיוק הצבעה של 0.1 מעלות ותמיכה בזרם נתונים רב-Gbps.זה חיוני עבור ניהול דינמיקה 6G, שבו יש לעקוב אחר אנשים לעבור על ידי שימוש חוזר של כלי רכב מיקרו-שניים.

ראשי > MIMO ו-Reconfigurable Intelligent Surfaces

מסיס MIMO עם מאות או אלפי אלמנטים אנטנה מייצרת כמות עצומה של עיבוד אותות. מעגלי משולב Photonic יכול לבצע את beamforming אנלוגי ו precoding ישירות בתחום אופטי, ובכך להפחית באופן דרסטי את העומס הדיגיטלי חישובי.בנוסף, משטחים חכמים מחדש של תצורה (RIS) ניתן לבנות באמצעות מערך של שינויים פוטוניים בעלי כוח נמוך, המאפשר להיות לנווט פסיבי ללא אלקטרוניקה פעילה זו יכול להפחית את הכוח האלקטרוני.

טרחרץ Wireless קישורים

עבור מהירויות מהירות אולטרה-גבוהות backhaul קישורים הקדמי (למשל, בין תחנות בסיס או למשרד מרכזי), טרנזצ'יבים פוטוניים הפועלים ב- 100-300 GHz יכול לספק שיעורי נתונים מעל 100 Gbps מעל מרחקים של כמה קילומטרים.היציבות הגבוהה של oscillators המקומי photonic, בשילוב עם photodiodes רחב, מאפשר קוהרנטיות מלא של אותות זיהוי Tairs הראו על פני מקורות.

צוק ו-Data Center Interconnects

רשתות הליבה 6G ידרוש קישוריות מרכזית נתונים מסיבית עם חיבורים אופטיים שיכולים לעמוד בקצב עם עומסי עבודה מבוזרים AI. Integrated photonics כבר בשימוש במרכזי נתונים עבור חיישנים גבוהים, ו-6G ירחיב את זה כדי להפיץ נקודות קצה. pICs אשר יכול לשלב 5-10 גל אורך טווח ערוצים מוקרן ב 400 Gbps כל אחד, ב- , יהיה 10G מרכזי עבור מרכזי איסוף נתונים.

מסקנה

מעגלים משולבים פוטוניקה נעים מן המעבדה לתוך העולם האמיתי 6G prototyping, מונע על ידי פריצות דרך בחומרים, שילוב וייצור.היכולת לייצר, לתמרן, לזהות אור על שבב קומפקטי, כוח נמוך כוח עושה PICs התאמה טבעית לדרישות הביצועים הקיצוניות של רשתות אלחוטיות הדור הבא, בעוד אתגרים בניהול תרמי, ייצור, ואריזות, ההשקעה מואצת הן מארגונים ציבוריים והן למהירויות מעגליות במהירות.

לקריאה נוספת, ראה את דוח Photonics (הופנה מהדף 6GFigital 1:2IEEE Journal of Lightwave Technology Special Issue on 6G PhotonicsFLT 3:, and the FLT:4 Nature Light: Science & Applications article on Graphine photodetectors:5G PhotonicsFLT 3, and the FLT:4 Nature Light: Science & Applications article on Graph.