מקור: Photonic Imperative for 6G

הביקוש הבלתי פוסק לשיעורי נתונים גבוהים יותר, שקיפות נמוכה יותר, וקישוריות בכל מקום מניעה את האבולוציה מ-5G ל- 6G מערכות אלחוטיות. 6G צפויה לפעול בתת-התיכון (sub-THz) ו- terahertz (THz) להקות תדרים אלחוטיות ל- 3 THz), שם מעגלים אלקטרוניים קונבנציונליים עומדים בפני מגבלות בסיסיות במהירות, יעילות, ואותנטיות.

בעוד 5G כבר רותם כמה טכניקות פוטוניות ברשתות עמוד השדרה, 6G ידרוש שילוב פוטוני בחזית ואפילו בממשק האנטנה. מאמר זה חוקר את ההתקדמות האחרונה ב PICs עבור 6G transceivers, המכס פלטפורמות חומריות, חידושים למכשירים מרכזיים, אסטרטגיות שילוב, ואת האתגרים שנשארים על הכביש לפריסה מסחרית.

מה הם מעגלי Integrated Circles?

מעגלים משולבים Photonic (PICs) הם צ'יפס המשלבים רכיבים אופטיים מרובים - כגון לייזרים, מודולרים, גלאיים, מסננים ומדריכי גל - על תת-קרקעית יחיד.בניגוד מעגלים משולבים אלקטרוניים המתמרנים אלקטרונים, PICs מניפולטיביים photons. הבדל בסיסי זה מעניק כמה יתרונות: רוחב פס רחב מאוד, אובדן פרופיל נמוך, אמפתיה אלקטרומגנטית, ויכולת רדיו אופטית ותהליך אופטי בו-זמנית.

משדר טיפוסי PIC מבוסס 6G עשוי לכלול מקור לייזר מתמשך גלי, מודולר מהיר (למשל, Mach-Zehnder או אלקטרו-Asorption Modulator) המקודש את הנתונים על נושא אופטי, ותצלום שממיר את האות האופטי המוסמך בחזרה לאות חשמליות בתדרים THz.

הבדלים מרכזיים מ-Electronic Integrated Circles

  • (FLT:0)Bandwidth:FLT:1 מחוגים אלקטרוניים עומדים בפני מעבר זמן ו-RC מגבלות קבועות; מודולים פוטוניים יכולים להשיג רוחב פס מעל 100 GHz, עם הפגנות מעבדה להגיע 500 GHz.
  • (FLT:0) צריכת חשמל: פיזור אות Photonic ועיבוד יכול להיות יעיל יותר בתדרים גבוהים, כמו קישורים אופטיים להימנע מההפסדים המנוגדים של חיבורי מתכת.
  • (FLT:0) יושרה שפיר: 1FLT קישורים Photonic הם חסינים לחלוטין על ידי crosstalk והתערבות אלקטרומגנטית, אשר הופך חמור בתדרים מ"מWave ו THz.
  • (FLT:0Size ומשקל:FLT:1 A יחיד PIC יכול להחליף כבלים קואקסיאליים מסיבי, גלי הדרכה, ורכיבים אופטיים דיסקרטיים, המאפשרים transceivers קומפקטיים עבור ענקי MIMO ואנטנות בשלבי-ריי.

הנוף 6G: למה טרחרץ צריך פוטוניקה

6G מעד את שיעורי הנתונים של 100 Gbps ל 1 Tbps, לביטלות מתחת 1 מ 's, ותמיכה ברזולוציה גבוהה sHz sHz ומיקום. Achieving מטרות אלה דורש תדרי נושא מעל 100 GHz, שבו הספקטרום הוא בשפע אבל אובדן גליציות propagation הם גבוה אלקטרוניקה בתדרים אלה סובלים מתפוקה מוגבלת, עוני, ודמויות רעש גבוה.

יתר על כן, beamforming photonic עיבוד אותות יכול להתמודד עם רוחב הפס העצום של מזרמי נתונים רב-גביט ללא כוח-hungry דיגיטלי-to-analog ממירים (DACs) ו להמיר אנלוגי-ל-דיגיטליים (ADCs) המגדירים מערכות אלקטרוניות. A photonic משדר יכול ליצור ישירות מובילת THz מודול, על ידי עקפוכות שלבים מורכבים.

(ב) ⁇ :0 ⁇ ⁇ :2 אינטגרציה של פונקציות פוטוניות ואלקטרוניות על שבב יחיד - לעתים קרובות נקרא שילוב heterogeneous - היא הדרך המבטיחה ביותר לממש מעשי 6G transceivers כי הם גם ביצועים גבוהים ומניפולטיבי בקנה מידה.

פלטפורמות חומריות עבור THz Photonic Integrated Circles

בחירת פלטפורמה חומרית קובעת את הביצועים, העלות והדחיסות של PICs עבור 6G. מספר פלטפורמות הם נחקרים באופן פעיל ומסחריים.

Indium Phosphide (InP)

Indium phosphide הוא מרכיב ראשי-bandgap המאפשר שילוב מונוליטי של רכיבים פעילים (lasers, amplifiers, Modulators) ורכיבים פסיביים (גלימות, מסננים) על שבב יחיד. InP מבוססי photodiodes ומודולטורים הוכיחו רוחב פס הרץ מעל 100 GHz, ו uni-Travel-car-car-rier (C) יכול עכשיו לספק חשמל מהיר יותר עבור מחסנים גדולים יותר.

תמונות של Silicon Photonics (SiPh)

פוטוניקה הסיליקון ממנתה את ההיווצרות הלא-תואמים של CMOS, בעלות נמוכה ושילוב של דיוק גבוה עם מעגלים אלקטרוניים. בעוד סיליקון הוא חומר פסגהp עקיף (הפיכת לייזרים קשים), מודטורים ופוטדגמנים יכולים להיות מימוש באמצעות שימוש ב-Sultiance depletion או Getaxial שכבות. Silicon photoniculators הגיעו ל- 50 Gba,ud ו-Extexretexreects לאחרונה ב-comiOS (כגון סיליקון) עם גלקסיות רגישות לייזר (Ricial) עם סיליקון) במיוחד עבור גלקסיות לייזר קטנות יותר מ-Crep).

סיליקון ניליד (Si3N4)

סיליקון nitride מציע אובדן אופטי נמוך מאוד (<0.1 dB / ס"מ) וחלון שקיפות רחב המשתרע לתוך גלוי וכמעט- infrared.It מצטיין בפונקציות פסיביות כגון מסננים, מרובותxers, ועיכוב קווים. עבור 6G, Si3N4 מיקרו-מינג resoning יכול לבצע אופטימיזציה אופטית ועיבוד אותות עם דיוק גבוה.

Lithium Niobate (LiNbO3) על Insulator

Lithium niobate יש coefficients אלקטרו-אופטיקה חזקה, המאפשר מודולטורים עם מתח נמוך מאוד גלי חצי גלי ואת לינאריות גבוהה. ⁇ -film LiNbO3 (LNOI) מודולטורים הוכיחו רוחב פס מעל 100 GHz עם מתחים נמוכים, מה שהופך אותם אידיאלי עבור גבוה נאמנות THz אות.

שילוב heterogeneous ו Hybrid

שום חומר יחיד משביע את כל הדרישות.לכן, התעשייה מתמזגת על שילוב heterogeneous - אג"ח חומרים שונים על תת-קרקעי משותף (למשל, SiPh עם לייזרים InP ו-LNOI Modulators) טכניקות אריזה מתקדמות כמו הדפסה מיקרו-עברה, חיבור ו 3D מאפשר שילוב הטוב ביותר של כל פלטפורמה.

התקדמות ב- Key Photonic Components עבור 6G

High-Speed Modulators

Modulators להמיר אותות בסיס חשמליים על נושא אופטי.עבור 6G, הם חייבים לתמוך פורמטים מודולציה כמו 16-QAM, 64-QAM, ואפילו שלDM עם שיעורי סמל מעל 100 Gbaud.

  • <חזק>InP Mach-Zehnder Modulators עם רוחב פס של 80-100 GHz ו V ⁇ נמוך (<2 V).
  • (ב) ⁇ 0 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) ,Plasmonic-Ororganic ModulatorsFLT ( 1:1) באמצעות פולימרים אלקטרו-אופטיים שיכולים להגיע רוחב פס מודולציה עד 500 GHz, אם כי עם הפסדים גבוהים יותר.
  • (ב) ⁇ 0 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

צילום: THz Generation and Detection

Uni-Traveling-carrier (UTC) photodiodes הם העורכים של הדור THz. על ידי heterodyning שני טונים לייזר הרץ, UTC-PD מייצרת תמונה המציגה ישירות אורנטית בטווח THz.-State-of-the-art UTC-PDs על InP הוכיחו את התפוקה >2 mW ב 300 GHz ו- רוחב פס מעל 150 GHz עבור זיהוי תת-32 פעיל (Gelsterent) באמצעות קומפקטית (Gate) באמצעות קומפקטית (Gate Active HD-As-Assterentus-Betative codetstams) באמצעות קומפקטית) באמצעות קומפקטית של מחקר ב-Astra-In-In-Betstoltstamtstamdic) עם קומפקטית HD-In-In-In-In-In-Aststoltstams) עם קומפקטית (Gate Active Cat-In-Asgicide-In-Astric-In-In-In-In-In-In-In-In-Aststtsttra-In-In-and-In-In-In-In-In-In-In-In

המונחים: Frequency Combs

קידוד תדירות - מקורות פולטים קווים אופטיים ממולאים באותה מידה - הם בעלי ערך לייצור מספר רב של THz ספקים שבב יחיד. Micro-combs בהתבסס על Si3N4 מיקרו-resonators לייצר מאות קווי קו רוחב עם ספיגה מדויקת. על ידי Heterodyning שני קווי קו קומפלקס סמוכים, אחד יכול ליצור אות THz נמוך.

שלב אריגיה ו-Beamforming

6G ישתמש אנאנטנות בשלבי-ארי עבור beam היגוי ומרחבי מרובותxing. Photonic beamforming רשתות באמצעות עיכובים בזמן אמת (OTTD) מציעים רחב פס, פעולה ללא נזיפה. סיליקון גל ספירלי גל ניטריד, resonators טבעת ועצים בינאריים יכולים לממש קווי עיכובים הניתנים להפעלה עם פתרון תת-picoII.

המונחים: system-Level Demonstrations

כמה קבוצות מחקר ותחנות תעשייתיות הפגינו משדרים ומקבלי מקלט במעבדה.לדוגמה, צוות מ- IHP (גרמניה) משולב ב-P UTC-PDs עם סיליקון גרמנייום (SiGe) HBT מגבר לייצר משדרי THz שפועלים ב- 300 GHz עם קצב נתונים של 10bps.

אבטיפוס אלה מראים כי שילוב פוטוני יכול לענות על דרישות המהירות והפסילה של רוחב הפס.הצעד הבא הוא לשלב את שרשרת transceiver השלם - לייזר, מודולטור, photodiode, אנטנות ולקבל photodiode - על שבב אחד.הפרויקט האיחוד האירופי H2020 היה רק מבשר; יוזמות נוכחיות כמו 6G-PHOton דוחפות לעבר טרנסצמי משולבים לחלוטין עם מקורות לייזר ומערך של תמונות MIMO.

אתגרים ודרכים לשיווק

ניהול חום

מכשירים פוטוניים, במיוחד לייזרים ופוטונים בעוצמה גבוהה, לייצר חום. בדור THz, photodiode חייב להתמודד עם צילומי וידאו גבוהים, המוביל לטמפרטורות מקומיות שיכולות לדרג ביצועים. ניהול תרמי יעיל באמצעות ערוצים מיקרו-השפעהיים, תת-שכבות יהלומים, או תרמילים תרמואלקטריים הוא חיוני.השילוב של תרכובות פוטוניות ואלקטרוניות את החום, כמו גם חום קרוב.

אריזה ו Coupling

באופן יעיל הפיכה אור מן PIC לסיבים ולעמודים האלקטרוניים / מפיץ שבבים הוא צוואר בקבוק גדול.סיבים-to-chip הפיכה הפסדים, היערכות קיטוב, וממשק לסימנים חשמליים קידוד גבוה (למשל, באמצעות אריזות שבב ברמה גבוהה) דורשים פתרונות אריזה מתוחכמת. 3D heterogeneous באמצעות s דרך מיקרוסקופים (VTS) הוא אלקטרוניקה מותאמים לתמונות אלקטרוניקה.

ייצור של יגאל ועלויות

מצאי Photonic הם קנה מידה, אבל תשואה עבור רכיבים פעילים (lasers, Modulators) הוא נמוך יותר מ CMOS אלקטרוניקה.המורכבות של שילוב חומרים מרובים על שבב אחד מעלה את מספר השלבים ואת הזדמנויות פגם.פיתוח PDKs סטנדרטי (ערכת עיצוב תהליכים) ו ריצות מרובות-פרוטפיל יהיה נמוך עלויות עבור Prototyping ו ייצור המוני בסופו של דבר.

לייזר רעש וקוהרנטיות

לדור THz באמצעות heterodyning, הרעש של לייזרים מתורגמים ישירות לרעש של שלב של אות THz שנוצר. לייזר קוwidths צריך להיות מתחת 100 kHz כדי לענות דרישות רעש בשלב עבור מודולציה גבוהה סדר.על לייזרים שבב (למשל, לייזרים מבוזרים) יש קוויוטים בטווח M, כך חיצוני או טכניקות אחוריות יכול להיות רפסיביות גבוהה.

השפעה על תקשורת אלחוטית

ברגע שהמכשולים הטכניים יושפעו, 6G transceivers מבוסס PIC יאפשרו מחלקה חדשה של שירותים אלחוטיים.שיעורי הנתונים הגבוהים אולטרה-גבוהים יתמכו בתקשורת הולוגרפית, תאומים דיגיטליים בזמן אמת, ויישומים מורחבים (XR) בו-זמנית הליטנסיכות הנמוכה תהיה קריטית לניתוח מרוחק, תיאום רכב אוטונומי ואוטומציה תעשייתית.

מעבר ל- 6G, PICs סלול את הדרך ל- terahertz אלחוטי LAN (THz-WLAN), קישורים אחוריים של טרה-זמנית לשני תאים קטנים צפופים, ואפילו קישורים אופטיים חופשיים מרחביים המתמזגים אל ספקטרום THz.ההתכנסות של photonics ו-WiFiretretretrence אינה רק צעד אבולוציוני; זו פרדיגמה שתגדיר את תשתיות התקשורת של סוף 2020 ומעבר.

מסקנה

מעגלים משולבים Photonic הם הטכנולוגיה אבן מפתח עבור מימוש 6G משדרים ומקבלים שיכולים לפעול ביעילות בטווח terahertz. Advances בפלטפורמות החומריות - InP, photonics, LNOI, ושילוב heterogeneous - יצרו מודולטורים, photodiodes, ו- beamforming רשתות לענות על מטרות ביצועים 6G. בעוד בניהול תרמי, אריזה, ייצור, נשארות של פתרונות תקשורתיים מוקדם (G) כבר לספק פתרונות לטווח מוקדם של זמן קצר.

(ב) [ה] [ה]] [ה]] [ה]], [ה], [ה], [ה]], [ה], [ה]], [ה]]]], [ה], [ה], [ה], [ה]]], [ה] ב[ה], [ה] ניתן למצוא [ה] [ה] [ה] [התורה] [ה] [ה'] [ה'] [ה'] [ה'[ה'] [ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']']'[ה'[ה']'[ה']'] ב'] ב'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה']'[ה'] [ה'] [ה'[ה'] [ה'] [ה'] [ה'] [ה'] ב'[ה']']']'[ה'[ה'[ה'[ה']'[ה']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[ה