Introduzione: L'imperatrice fotonica per 6G

La domanda incessante di velocità di dati più elevate, latenza inferiore e la connettività ubiquitosa sta guidando l'evoluzione da 5G a 6G sistemi wireless. 6G è previsto per operare nel sub-terahertz (sub-THz) e le bande di frequenza terahertz (THz) (100 GHz a 3 THz), dove i circuiti elettronici convenzionali devono affrontare limitazioni fondamentali in velocità, efficienza e integrità del segnale.

Mentre 5G già sfrutta alcune tecniche fotoniche nelle reti a spina dorsale, 6G richiederà l'integrazione fotonica al frontend e anche all'interfaccia antenna. Questo articolo esplora gli ultimi progressi in PIC per transceivers 6G, coprendo piattaforme materiali, innovazioni chiave del dispositivo, strategie di integrazione e le sfide che rimangono sulla strada per la distribuzione commerciale.

Cosa sono i circuiti integrati fotonici?

I circuiti integrati fotonici (PIC) sono chip che integrano più componenti ottici, come laser, modulatori, rivelatori, filtri e guide d'onda, su un unico substrato. A differenza di circuiti integrati elettronici che manipolano gli elettroni, i PIC manipolano i fotoni. Questa differenza fondamentale conferisce diversi vantaggi: bande di modulazione estremamente ampie, perdita di propagazione bassa, immunità alle interferenze elettromagnetiche e la capacità di elaborare segnali radio contemporaneamente.

Un tipico trasmettitore 6G basato su PIC potrebbe includere una sorgente laser a onde continue, un modulatore ad alta velocità (ad esempio, Mach-Zehnder o modulatore ad assorbimento elettronico) che codifica i dati su un vettore ottico, e un photodiode che converte il segnale ottico modulato di nuovo in un segnale elettrico a frequenze THz.

Differenze chiave da circuiti integrati elettronici

  • Larghezza di banda:[[] I circuiti elettronici affrontano limiti costanti di tempo di transito e RC; i modulatori fotonici possono raggiungere le larghezza di banda superiori a 100 GHz, con dimostrazioni di laboratorio che raggiungono 500 GHz.
  • Consumi di potenza:[] La distribuzione e l'elaborazione del segnale fotonico possono essere più efficienti ad alte frequenze, poiché i collegamenti ottici evitano le perdite resistive di interconnessioni metalliche.
  • Integrità di segnale:[] I collegamenti fotonici sono intrinsecamente immuni da interferenze traversali e elettromagnetiche, che diventano gravi a frequenze mmWave e THz.
  • Dimensioni e peso:[ Un singolo PIC può sostituire cavi coassiali ingombranti, gruppi guida ondulari e componenti ottici discreti, consentendo transceiver compatti per antenne MIMO e phased-array.

Il 6G Paesaggio: Perché Terahertz ha bisogno di fotonici

6G mira i tassi di dati di 100 Gbps a 1 Tbps, le latencies sotto 1 ms, e il supporto per il rilevamento ad alta risoluzione e localizzazione. Raggiungendo questi obiettivi richiede frequenze portanti superiori a 100 GHz, dove lo spettro è abbondante ma le perdite di propagazione sono elevate.

Inoltre, la teletrasformazione e l'elaborazione dei segnali fotonici possono gestire le massicce larghezza di banda dei flussi di dati multi-gigabit senza i convertitori digitali-analitici-a-a-a-a-analogico (DAC) e convertitori analogici-a-digitali (ADC) che limitano i sistemi elettronici. Un trasmettitore fotonico può generare direttamente un vettore THz modulato, bypassando le fasi di accesso up-conversion.

Key Insight: L'integrazione delle funzioni fotoniche ed elettroniche su un singolo chip, spesso chiamato integrazione eterogenea, è il percorso più promettente per realizzare transceiver 6G pratici che sono entrambi altamente performanti e manufacturable a scala.

Piattaforme di materiale per circuiti integrati fotonici THz

La scelta della piattaforma materiale determina le prestazioni, i costi e la densità di integrazione dei PIC per 6G.

Fosfo indio (InP)

I fosfidi indio sono un semiconduttore a banda diretta che permette l'integrazione monolitica dei componenti attivi (lassatori, amplificatori, modulatori) e dei componenti passivi (waveguide, filtri) su un singolo chip.

Fotonici di Silicio (SiPh)

I fotonici Silicon sfruttano la fabbricazione compatibile con CMOS, promettendo un'integrazione a basso costo e ad alta densità con i circuiti elettronici. Mentre il silicio è un materiale indiretto-bandgap (facendo i laser su chip difficili), i modulatori e i fotodetectori possono essere realizzati utilizzando la deplezione del vettore o gli strati epitassiali Ge.

Nitro di silicio (Si3N4)

Silicon nitride offre una perdita di propagazione ottica molto bassa (±0.1 dB/cm) e una finestra di trasparenza estesa nel visibile e vicino infrarosso. Escelta a funzioni passive come filtri, multiplexers e linee di ritardo. Per 6G, i risonatori a micro-ring Si3N4 possono eseguire trave e elaborazione del segnale ottica con alta precisione. Tuttavia, Si3N4 non può generare o modulare la luce in modo efficiente, quindi è attivo.

Lithium Niobate (LiNbO3) su isolante

Il niobate di litio possiede forti coefficienti elettro-ottica, consentendo modulatori con tensione di mezza onda estremamente bassa e alta linearità. I modulatori Thin-film LiNbO3 (LNOI) hanno dimostrato la larghezza di banda superiore a 100 GHz con tensioni di azionamento basse, rendendoli ideali per la generazione di segnali THz ad alta fedeltà. La piattaforma LNOI è meno matura di spingere la combinazione analogica di InP o SiP, ma rapido progresso

Integrazione eterogenea e ibrida

Non è quindi necessario che l'industria si converga sull'integrazione eterogenea: il legame di materiali diversi su un substrato comune (ad esempio, SiPh con i laser InP e i modulatori LNOI).

Avanzamenti in Componenti fotonici chiave per 6G

Modulatori ad alta velocità

I modulatori convertono i segnali a banda base elettrica su un vettore ottico. Per 6G, devono supportare formati di modulazione come 16-QAM, 64-QAM, e anche OFDM con tassi di simbolo superiori a 100 Gbaud.

  • InP Modulatori Mach-Zehnder > con larghezza di banda di 80-100 GHz e basso Vπ (±2 V).
  • Modulatori LNOI[] che raggiungono la larghezza di banda di 110 GHz e VπL di meno di 2 V·cm.
  • Modulatori ibridi a base di pilasmonico-organico[[]] utilizzando polimeri elettro-ottica che possono raggiungere le larghezze di modulazione fino a 500 GHz, anche se con perdite più elevate.
  • Modulatori di silicio con elettrodi a onde lente[ che si estendono oltre 70 GHz, adatti per bande sub-THz.

Fotodiodi per la generazione e la rilevazione di THz

I fotodiodi di un'onda unica di trasporto (UTC) sono i cavalletti di lavoro per la generazione di THz. Con l'eterodiazione ottica di due toni laser, un UTC-PD produce una fotocorrente che irradia direttamente nella gamma THz.

Combi di frequenza ottico

I combi di frequenza — fonti che emettono linee ottiche altrettanto distanziate — sono preziosi per la generazione di più portanti THz in un unico chip. I microcombs basati su microresonatori Si3N4 generano centinaia di linee combacianti con una precisa spaziatura.

Array e Beamforming di Fase

6G utilizzerà antenne phased-array per lo sterzo del fascio e il multiplexing spaziale. Le reti di teletrasformazione fotoniche utilizzando ritardi ottici in tempo reale (OTTD) offrono un funzionamento a banda larga, senza squint. Le spirali di guida ondulata del silicio, i risonatori dell'anello e gli alberi binari possono realizzare linee di ritardo programmabili con risoluzione sub-picoseconda.

Dimostrazioni recenti di sistema

Diversi gruppi di ricerca e consorzi industriali hanno dimostrato trasmettitori e ricevitori 6G basati su PIC in laboratorio. Ad esempio, un team di IHP (Germania) integrato InP UTC-PDs con amplificatori HBT in silicio (SiGe) per produrre un trasmettitore THz che opera a 300 GHz con 10 Gbps data rate. Un altro gruppo di Fujitsu e NTT ha dimostrato un collegamento fotonico-RF con un raggio di 120 metri di distanza con un'TC-TC

Questi prototipi mostrano che l'integrazione fotonica può soddisfare i requisiti di velocità e larghezza di banda. Il passo successivo è quello di integrare la catena completa del ricetrasmettitore — laser, modulatore, fotodiode, alimentazione dell'antenna, e ricevere il photodiode — su un unico chip. Il progetto UE H2020 era solo un precursore; le iniziative attuali come 6G-PHOTON stanno spingendo verso transceivers completamente integrati con sorgenti laser on-chip e array di fotodi MI.

Sfide e percorso per la commercializzazione

Gestione del calore

I dispositivi fotonici, specialmente i laser e i fotodiodi ad alta potenza, generano calore. Nella generazione THz, il fotodiode deve gestire alte fotocorrenti, portando a temperature locali che possono degradare le prestazioni. Efficiente gestione termica utilizzando canali microfluidici, substrati di diamanti o raffreddatori termoelettrici è essenziale. L'integrazione di circuiti fotonici ed elettronici compone il problema del calore, sia generando calore in prossimità.

Imballaggio e accoppiamento

L'accoppiamento della luce dal PIC alla fibra e ai chip elettronici del driver/amplifier è un importante collo di bottiglia. Le perdite di accoppiamento del fibra-chip, l'allineamento della polarizzazione e l'interfaccia ai segnali elettrici ad alta frequenza (ad esempio, attraverso l'imballaggio su scala del chip di wafer) richiedono soluzioni di imballaggio sofisticate.

Produzione di Rendimento e Costo

Le fonderie fotoniche sono scaling, ma la resa per i componenti attivi (lassanti, modulatori) è inferiore all'elettronica CMOS. La complessità dell'integrazione di più materiali su un chip aumenta il numero di fasi di lavorazione e le opportunità di difetti.

Laser Noise e coerenza

Per la generazione THz tramite eterodidizzazione, il rumore di fase dei laser si traduce direttamente nel rumore di fase del segnale THz generato. Le reti laser devono essere inferiori a 100 kHz per soddisfare i requisiti di rumore di fase per la modulazione di alto ordine.

Impatto sulla comunicazione wireless futura

Una volta superate le ostacoli tecnici, i ricetrasmettitori 6G basati su PIC consentiranno una nuova classe di servizi wireless. I tassi di dati ultra-alti supporteranno comunicazioni olografiche, gemelli digitali in tempo reale, e applicazioni di realtà estesa immersiva (XR). La bassa latenza sarà critica per la chirurgia remota, il coordinamento autonome dei veicoli e l'automazione industriale. L'integrazione del rilevamento e della comunicazione - chiamata Joint Communication and Sensing (JCAS) è un segnale fotografico naturale.

Oltre 6G, PIC spianerà la strada per le LAN wireless terahertz (THz-WLAN), i collegamenti backhaul terabit-per-second per le cellule dense di piccole dimensioni, e anche i collegamenti ottici free-space che si fondono nello spettro THz. La convergenza dei fotonici e wireless non è solo un passo evolutivo; è un cambiamento di paradigma che definirà l'infrastruttura di comunicazione dei tardi 2020 e oltre.

Conclusioni

I circuiti integrati fotonici sono la tecnologia chiave per la realizzazione di trasmettitori e ricevitori 6G che possono operare in modo efficiente nella gamma terahertz. I progressi nelle piattaforme materiali - InP, fotonici in silicio, LNOI, e l'integrazione eterogenea - hanno prodotto modulatori, fotodiodi e reti di teletrasformazione che soddisfano i target di performance 6G.

Per ulteriori informazioni, esplora ]questa recensione dei fotoni sulle comunicazioni THz fotonici e l'ultima dal 6G-PHOTON project[]. Ulteriori informazioni possono essere trovate in IEEE Journal of Lightwave Technology