6G का विकास और माइक्रोवेव फोटोनिक्स की आवश्यकता

उच्च डेटा दरों, अति-निम्न विलंबता और बड़े पैमाने पर कनेक्टिविटी के लिए निरंतर मांग छठे पीढ़ी (6G) वायरलेस नेटवर्क के विकास को चला रही है। जबकि 5G ने मिलीमीटर-वेव बैंड पेश किया, 6G का उद्देश्य उप-टेराहर्ट्ज़ और टेराहर्ट्ज़ आवृत्तियों (100 GHz से 1 THz) पर काम करना है, जहां पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक घटक बुनियादी भौतिक सीमाओं का सामना करते हैं। इन आवृत्तियों पर, इलेक्ट्रॉनिक सर्किट उच्च प्रवर्धन हानि, सीमित बैंडविड्थ और काफी बिजली की खपत से पीड़ित होते हैं। माइक्रोवेव फोटोनिक्स-एक अनुशासन जो कि फोटोनिक प्रौद्योगिकियों के साथ माइक्रोवेव इंजीनियरिंग को मर्ज करता है - ऑप्टिकल-आवृत्ति के लाभ और उच्च आवृत्ति वाले घटकों को प्रसारित करने के लिए इन बोतल को दूर करने के लिए एक परिवर्तनकारी दृष्टिकोण प्रदान करता है।

माइक्रोवेव फोटोनिक्स 6G के लिए कई महत्वपूर्ण कार्यों को सक्षम बनाता है: अल्ट्रा-वाइडबैंड सिग्नल जनरेशन, सटीक आवृत्ति संश्लेषण, कम नुकसान वितरण और उन्नत बीमफॉर्मिंग। विशुद्ध रूप से इलेक्ट्रॉनिक समाधान के विपरीत, फोटोनिक उपकरण 100 गीगाहर्ट्ज से अधिक बैंडविड्थ के साथ संकेतों को संभाल सकते हैं और टेराबिट-प्रति सेकंड रेंज में डेटा दरों का समर्थन कर सकते हैं। इससे माइक्रोवेव फोटोनिक्स न केवल एक वृद्धिशील सुधार होता है बल्कि 6G में परिकल्पित उच्च आवृत्ति संचार प्रणालियों के लिए एक आधारीय सक्षम बनाता है।

6G के लिए माइक्रोवेव फोटोनिक्स में कोर टेक्नोलॉजीज

एकीकृत फोटोनिक सर्किट

सबसे महत्वपूर्ण प्रगति में से एक एकीकृत फोटोनिक सर्किट (PIC) का विकास है जो कई ऑप्टिकल कार्यों को जोड़ती है - जैसे कि लेजर, मॉड्यूलेटर, फिल्टर, और डिटेक्टर - एक चिप पर। ]Integrated photonic सर्किट नाटकीय रूप से माइक्रोवेव फोटोनिक सिस्टम के आकार, वजन और बिजली की खपत को कम करते हैं, जिससे उन्हें व्यावसायिक तैनाती के लिए व्यवहार्य बना दिया जाता है। हाल के प्रदर्शनों में सिलिकॉन फोटोनिक्स और इंडिअम फॉस्फेटाइड प्लेटफॉर्म का उपयोग करके कॉम्पैक्ट ट्रांसीवर प्रदर्शित किया गया है जो प्रसंस्करण में सक्षम है > 100 गबौड पायलट। जैसे कंपनियां

उच्च गति इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर

उच्च आवृत्ति विद्युत संकेतों के साथ ऑप्टिकल वाहक को संशोधित करना माइक्रोवेव फोटोनिक्स के लिए केंद्रीय है। Electro ऑप्टिक मॉड्यूलेटर ने नाटकीय सुधार देखा है, जिसमें लिथियम निओबेट (पतली फिल्म) और plasmonic मॉड्यूलेटर 300 गीगा से परे मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ प्राप्त करते हैं। ये उपकरण प्रति तरंग दैर्ध्य कई टेराबिट्स से अधिक की दरों पर ऑप्टिकल संकेतों के आधार पर डेटा के प्रत्यक्ष रूपांतरण को सक्षम करते हैं। 2023 में, शोधकर्ताओं ने ETH Zurich] पर 600 Gbaud की एक प्रमुख कदम पर एक प्लास्मोनिक मॉड्यूलेटर का प्रदर्शन किया।

फोटोनिक बीमफॉर्मिंग और फेज्ड ऐरे

बीमफॉर्मिंग- विशिष्ट उपयोगकर्ताओं के लिए संकेतों को निर्देशित करना - संकीर्ण बीमविड्थ और वायुमंडलीय अवशोषण के कारण उच्च आवृत्तियों पर तेजी से चुनौतीपूर्ण हो रहा है। फोटोनिक बीमफॉर्मिंग अभूतपूर्व परिशुद्धता और बैंडविड्थ के साथ एंटीना को चलाने के लिए ऑप्टिकल वास्तविक समय की देरी लाइनों का उपयोग करता है। इलेक्ट्रॉनिक चरण बदलावों के विपरीत जो संकीर्ण ऑपरेशन से पीड़ित हैं, फोटोनिक दृष्टिकोण आवृत्ति-स्वतंत्र बीम स्टीयरिंग प्रदान करते हैं, जो 6G में चौड़े संकेतों के लिए महत्वपूर्ण हैं। कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय से हाल के काम, सांता बारबरा ने 200 गीगाहर्ट्ज़ पर एक 64-element फोटोनिक चरणीय सरणी प्रदर्शित की है, जो 20 गीगाहर्ट्ज़ की तत्काल तैनाती के साथ चल रही है।

ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी कॉम्ब

ऑप्टिकल आवृत्ति कंघी - समान रूप से स्पेस लेजर लाइनों का स्पेक्ट्रा - माइक्रोवेव फोटोनिक्स के लिए सटीक आवृत्ति शासकों के रूप में संरक्षित है। 6G में, वे सक्षम ultra-stable संकेत पीढ़ी और वितरित बेस स्टेशनों में सिंक्रनाइज़ेशन। एक स्थिर संदर्भ में एक कंघी को लॉक करके, नेटवर्क को एकीकृत बहु-बिंदु संचरण के लिए आवश्यक किलोमीटर भर में चरण सुसंगतता बनाए रख सकते हैं। माइक्रोकॉम (एकीकृत केररर कंघी) विशेष रूप से आशाजनक हैं; वे आकार और शक्ति को कम करते हैं, हाल के प्रदर्शनों के साथ 5-100 गीगा आरएफ संकेतों के साथ संगत संयोजन दिखा रहा है। इस तकनीक को भविष्य के लिए 3 [FLT] नेटवर्क के लिए 3] जैसे संगठनों द्वारा खोजा जा रहा है।

हाल ही में ब्रेकथ्रू और रिसर्च माइलस्टोन

माइक्रोवेव फोटोनिक्स अनुसंधान समुदाय ने पिछले दो वर्षों में उल्लेखनीय मील का पत्थर हासिल किया है जो सीधे 6G व्यवहार्यता को प्रभावित करते हैं। 2024 में, नोकिया बेल लैब्स की एक संयुक्त टीम और डेनमार्क के तकनीकी विश्वविद्यालय ने एक फोटोनिक्स आधारित ट्रांसमीटर का उपयोग करके 300 GHz पर 250 Gbit / s वायरलेस लिंक की सूचना दी। प्रणाली ने एक यूनी-ट्रेविंग-कैरियर फोटोडायोड को एक अनुनाद एंटीना के साथ एकीकृत किया, जो कि फोटोनिक-सक्षम फ्रंट एंड्स की क्षमता को दर्शाता है। अलग से, आईईईईई फोटोनिक्स सोसाइटी ने एक मोनोलिथिक सिलिकॉन फोटोनिक चिप को उजागर किया जो एक ऑप्टिकल आवृत्ति कंघी, मॉड्यूलेटर और पूर्ण लागत के लिए एक पूर्णता को कम करने वाला एक विशेषणता को एकीकृत करता है।

एक अन्य सफलता में शामिल है photonic-assisted एनालॉग-to-digital रूपांतरण (ADC)। THz आवृत्तियों पर, इलेक्ट्रॉनिक ADCs का सामना जिटर और बैंडविड्थ सीमा। मोड-लॉक लेजर का उपयोग करके फोटोनिक नमूना 100 GS/s से ऊपर नमूना दरों पर 10 बिट्स से परे प्रभावी रिज़ॉल्यूशन प्राप्त कर सकता है। इस तरह के ADC भविष्य के 6G बेस स्टेशनों में बेसबैंड प्रोसेसिंग के लिए महत्वपूर्ण हैं जिन्हें बड़े पैमाने पर बैंडविड्थ को संभालने की आवश्यकता है।

समानांतर में, में अनुसंधानफाइबर-वायरलेस एकीकरण में उन्नत है। "फाइबर-टू-एंटेन" (FTTA) की अवधारणा "फोटोनिक-रैडियो-ओवर-फाइबर" (P-RoF) में विकसित हुई है, जहां मॉडुलेटेड ऑप्टिकल सिग्नल सीधे विद्युत रूपांतरण के बिना एंटीना सरणी से विकिरणित होते हैं। यह दृष्टिकोण हानि और जटिलता को कम करता है, और जापान में फील्ड परीक्षणों ने निष्क्रिय ऑप्टिकल नेटवर्क के साथ सहज एकीकरण का प्रदर्शन किया है।

तैनाती में चुनौतियां

वादा के बावजूद, माइक्रोवेव फोटोनिक्स के पहले कई बाधाओं को दूर किया जाना चाहिए, 6G इन्फ्रास्ट्रक्चर का एक मानक घटक बन गया।

मौजूदा इलेक्ट्रॉनिक इन्फ्रास्ट्रक्चर के साथ एकीकरण

वर्तमान आधार स्टेशन अत्यधिक अनुकूलित इलेक्ट्रॉनिक सर्किट पर निर्भर हैं। फोटोनिक घटकों को एकीकृत करना - जैसे कि लेजर, मॉड्यूलेटर और फोटोडायोड - CMOS नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ सावधानीपूर्वक पैकेजिंग और थर्मल प्रबंधन की आवश्यकता होती है। Hybrid एकीकरण ने प्रगति की है, लेकिन फोटोनिक चिप्स और RF फ्रंट एंड्स के बीच विश्वसनीय कम लागत वाले कनेक्शन प्राप्त करना गैर-त्रिअल रहता है। उदाहरण के लिए, छोटे वेवगाइड में युग्मन प्रकाश उप-माइक्रोन संरेखण की मांग करता है, जिससे विधानसभा लागत बढ़ जाती है।

निर्माण और सामग्री सीमा

कई उच्च प्रदर्शन वाले फोटोनिक उपकरण लिथियम निओबेट, इंडिअम फॉस्फेटाइड या पॉलिमर जैसी विदेशी सामग्रियों पर निर्भर हैं। Scalable fabrication process] इन सामग्रियों के लिए सिलिकॉन CMOS की तुलना में कम परिपक्व होती है। यील्ड, एकरूपता, और दीर्घकालिक स्थिरता को बड़े पैमाने पर तैनाती के लिए सुधार करना चाहिए। इसके अतिरिक्त, वायरलेस ट्रांसमिशन के लिए उच्च ऑप्टिकल शक्तियों पर फोटोडॉक्टरों और मॉड्युलेटरों की शक्ति हैंडलिंग को गैर-रेखीय विरूपण से बचने के लिए सावधानीपूर्वक डिजाइन की आवश्यकता होती है।

लागत और ऊर्जा दक्षता

माइक्रोवेव फोटोनिक सिस्टम अपने इलेक्ट्रॉनिक समकक्षों की तुलना में अधिक महंगा हो सकता है, खासकर जब असत घटकों का उपयोग किया जाता है। एकीकृत फोटोनिक सर्किट का उद्देश्य प्रति कार्य लागत को कम करना है, लेकिन फोटोनिक विनिर्माण लाइनों के लिए प्रारंभिक पूंजी व्यय अधिक है। ऊर्जा दक्षता एक और चिंता है: लेज़र और थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर बिजली का उपभोग करते हैं, संभावित रूप से डेटा ट्रांसमिशन में दक्षता लाभ को नकारात्मक करते हैं। हालांकि, कैंब्रिज विश्वविद्यालय के अनुसंधान से पता चलता है कि 100 गीगाहर्ट्ज पर फोटोनिक ट्रांसीवर उन्नत इलेक्ट्रॉनिक ASIC के साथ प्रतिस्पर्धी 10 pJ /bit से नीचे ऊर्जा लागत प्राप्त कर सकते हैं।

भविष्य निर्देशन और संभावित प्रभाव

2030 के दशक की ओर देखते हुए, माइक्रोवेव फोटोनिक्स को बेस स्टेशनों से परे विस्तार करने की उम्मीद है। संभावित अनुप्रयोगों में शामिल हैं terahertz imaging], satellite संचार (विशेष रूप से कम-Earth-orbit नक्षत्रों के लिए), और वितरित संवेदन नेटवर्क स्वायत्त प्रणालियों के लिए। अनुकूली बीम प्रबंधन के लिए कृत्रिम बुद्धि के साथ माइक्रोवेव फोटोनिक्स की अभिसरण जांच का एक सक्रिय क्षेत्र है। उदाहरण के लिए, फोटोनिक तंत्रिका नेटवर्क ऑप्टिकल पावर में बीम बनाने की प्रक्रिया कर सकता है।

मानकीकरण निकायों जैसे 3GPP और ITU-R IMT-2030 के लिए आवश्यकताओं का अध्ययन शुरू कर रहे हैं, और माइक्रोवेव फोटोनिक प्रौद्योगिकियों को भौतिक परत टूलकिट के हिस्से के रूप में माना जा रहा है। 2025 में, पहली 6G टेस्टबेड जिसमें फोटोनिक बीमफॉर्मिंग और ऑप्टिकल आवृत्ति कंघी शामिल हैं, यूरोपीय परियोजना ]MIRPHONI6G] द्वारा प्रदर्शित होने की उम्मीद की जाती है।

एक और रोमांचक दिशा क्वांटम प्रकाशिकी का उपयोग माइक्रोवेव फोटोनिक्स में है। निचोड़ा हुआ राज्यों और उलझन का लाभ उठाकर, सुरक्षित संचार चैनल बनाने के लिए अंतर्निहित प्रतिरक्षा के साथ Eavesdropping- 6G के सुरक्षा लक्ष्यों के लिए एक महत्वपूर्ण आवश्यकता। क्वांटम माइक्रोवेव फोटोनिक्स में प्रारंभिक प्रयोग ने कमरे के तापमान पर गैर-श्रेणी के सहसंबंधों की पीढ़ी का प्रदर्शन किया है, जो एक दशक के भीतर व्यावहारिक अनुप्रयोगों का सुझाव देता है।

निष्कर्ष

माइक्रोवेव फोटोनिक्स प्रकाशिकी और रेडियो इंजीनियरिंग के चौराहे पर खड़ा है, जो 6G के चरम प्रदर्शन लक्ष्य को पूरा करने के लिए एक सम्मोहक पथ प्रदान करता है। एकीकृत फोटोनिक सर्किट, हाई स्पीड मॉड्युलेटर, फोटोनिक बीमफॉर्मिंग और ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी कंघी में हाल के अग्रिमों ने इस तकनीक को प्रयोगशाला की जिज्ञासा से लेकर व्यावसायिक प्रणालियों के लिए एक गंभीर उम्मीदवार तक ले जाया है। जबकि एकीकरण, निर्माण और लागत में चुनौतियों को लगातार 6Glatitudes विश्वसनीय तरीके से परिभाषित किया गया है। फोटोनिक्स, इलेक्ट्रॉनिक्स और दूरसंचार समुदायों के बीच निरंतर क्रॉस-अनुशासनिक सहयोग के साथ, माइक्रोवेव फोटोनिक्स 2030 से अधिक उच्च आवृत्ति संचार का एक आधार बन जाएगा, जो अल्ट्रा-आधिकीय विश्वसनीय 6Glatency को परिभाषित करता है।