6Gネットワークを活用したフォトニック革命

ワイヤレス通信は、基本的なインフレクションポイントに近づいています。 5Gはまだ展開しています。 研究者は、すでに6Gの要件を定義しています。これにより、データレートを1Tbps、サブミリ秒レイテンシ、および10億のインターネット(IoT)デバイス用の大規模な接続に提供することに約束します。 これらの要求を満たすには、信号生成、変調、伝送、および検出のための光をレバレッジするフォトニクス技術へのパラダイムシフトが必要です。 光子は、唯一のスケーラ(G)と6Hzの超高音速速度を要求します。

光子ベースのシステムは、ワイヤレスフロントホールとバックホールリンクのためにそれらを適応しながら、膨大な帯域幅、低信号の劣化、および最小限の熱生成 - 光学繊維の物理的利点を継承し、情報を運ぶために、電気電流の代わりに光を使用します。 ベースステーション、アンテナ、データセンターに直接フォトニックコンポーネントを統合することにより、6Gネットワークはリアルタイムのレーザー通信、自動車両調整、および高機能混合現実体験をサポートすることができます。

6Gアーキテクチャにおけるフォトニクスの基本的な役割

以前のモバイル生成とは異なり、6Gは、サブ6GHzからミリメートル波(mmWave)をTHz範囲(100GHz)にまで幅広いスペクトルで動作します。 電子回路は、このような高周波数で信号を生成し、処理するのに苦労します パラシチックキャパシタンス、電力の消滅、および限られた変調帯域幅。 光技術は、これらの制約を光学ソース、変調器、および検出器を使用して、多重力-ギア帯域幅を優れた信号と低速器と低騒音で処理することができます。

なぜ光アウトパーフォームエレクトロン

6Gのフォトニクスのコア利点は、シリコンベースの電子機器の到達範囲を超えて、周波数で信号を生成し、操作する能力にあります。例えば、光学式ヘテロダイニング - 2つのわずかに調整されたレーザートーンを混合する - いくつかのTHzまでのいくつかのGHzから連続波信号を生成することができ、高容量の無線リンクのための精密なキャリア生成を可能にします。さらに、フォトニック信号処理は、電子アンプとミキサーの帯域幅制限の影響を回避し、長距離信号を節約することができます。

主6Gは要求の光子の箱を使用します

  • []超高精細ホログラフィックコール]は、ユーザーあたり10Gbpsを超えるデータレートを必要とする。
  • サブミリ秒レイテンシのスマートシティと工場自動化のための、集中センサーネットワーク。
  • []電磁減衰が禁止されている分散空中および水中通信[]。ただし、レーザーベースの自由空間光リンクは動作する。
  • [] 分散エッジデータセンター全体でリアルタイムのデジタルツイン同期。

撮影不要で、電子無線周波数(RF)チェーンの圧倒的な電力と帯域幅制約により、スケールで実装することは不可能です。

6G用フォトニックコンポーネントの最近のブレークスルー

過去5年間に大きな進歩を遂げたフォトニクスコンポーネントは、ラボの好奇心から生みやすいサブシステムプロトタイプへと移行しました。 4つの領域は、統合フォトニクス回路、超高速モジュレータ、フォトニックスイッチ、フォトニックベースのビームフォーミング配列を構成しています。

集積光回路(PIC)

アナログ・電子集積回路、フォトニック集積回路は、レーザー、モジュレータ、アンプ、ディテクタ、および複数のクサを1つのチップに組み合わせています。 プラットフォームとしてのシリコンフォトニクスの使用は、補完的な金属酸化物半導体(CMOS)製造プロセスを活用し、コストを削減し、ウェーハスケール生産を有効にしているため、急速に成熟しています。 最近の実証は、サウスポンプののような機関から[FLT:]を直接使用して、GBT:1:112は、関連するステーションにGBTを直接処理できるという点で示しました。

もう一つの有望なプラットフォームは、単一のチップ内で効率的な光生成と高速変調を提供するインジウムリン化(InP)です。 []]などの企業は、THz-bandワイヤレスフロントホール用に再利用可能なコヒーレント光学リンク用の成熟インプピックを導入しました。

高速電気・光調節器

THz レートで光ビームにデータをエンコードすることは、100 GHz を超える電気光学帯域幅を持つ変調器を必要とします。従来のリチウム ニオベート (LiNbO3) Mach ‐Zehnder 変調器は、薄型フィルム リチウム ニオベート (TFLN) 変調器によって交換され、低ドライブ電圧で 170 GHz を超える変調帯域幅を達成し、 光波技術ジャーナルが低電圧で実証されているが、電流 帯域幅応答を する [FLT] および 帯域幅 帯域幅 の応答を します。

高度なフォトニックスイッチ

6Gネットワークでは、特に密接な都市環境やモバイルネットワークでは、動的トラフィックステアリングと再構成が不可欠です。マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム(MEMS)とシリコン(LCoS)の液晶に基づくフォトニック・スイッチは、電子クロスバーの熱を散らすことなく、マイクロ秒単位で光学パスを再構成できます。によって開発されたフォトニック・パケット・スイッチの最新の生成は、ナノ秒単位で約100回、ナノ秒単位で約100回、ナノ秒単位で約100回、ナノ秒単位で切断するナノ秒単位で、ナノ秒単位で、約100回、ナノ秒単位で、約100回、約100回、約100回、約100回、約1回、約100回、約100回、約1回、約1回、約1回、約1回、約1回、約1回、約1回、約1回、約1回、約1回、約1回、約1回、約1回、約1回、約1回、約1回、約1回、約1回、約1回、約1回、約1

THzアンテナ用フォトニックビームフォーミング

狭い THz ビームの使用は、フェーズ制御を必要とする各要素でフェーズド レイ アンテナを必要とします。電子フェーズ シフト ャは、THz 周波数で許容損失と消費電力を導入しています。光通信ビームフォーミングは、光学遅延と光射出ロックを使用して、制御可能なフェーズ シフトを作成する、 ] で実証されています。光学系レイキャ レイキャ レイキャ レイキャ レイキャ レイキャ レイキャ レイキャ レイキャ レイキャ レイキャ レイキャパ レイ レイキャスティング (300GHz ) および レイキャパ レイキャパ レイキャパ レイキャパ の レイキャパ レイキャパ レイキャパ レイキャパ レイキャパ レイキャパ レイキャパ レイキャパ レイキャパ レイキャパ レイ レイ レイ レイ レイ レイ レイ レイ レイ レイ レイ レイキャパ レイ レイキャパ レイ レイ レイ レイ レイキャパ レイ レイ レイ レイ レイ レイ レイ レイ レイ レイ レイ

統合と環境課題の克服

印象的な研究室のマイルストーンにもかかわらず、フォトニック6Gシステムの実用展開は、研究者が積極的に取り組むいくつかのハードルに直面しています。

電子CMOSとの共同統合

光子コンポーネントは、デジタル変調、コーディング、プロトコルスタックを処理する電子ベースバンド処理ユニットとシームレスにインターフェイスしなければなりません。 現在のアプローチには、ハイブリッドチップスキャスティング(フォトニックダイが電子ASICに結合されたフリップチップ)とモノリシック統合(III-Vフォトニクス材料をシリコンに直接成長)が含まれます。 後者は、格子誤差の理由で挑戦していますが、Siの量子ドットレーザーを使用して最近の作業は、有望な部屋連続温度を[F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] - [F] [F]

熱経営

光子回路は熱に免疫を向けません。レーザーは重要な熱負荷を発生させ、温度で低下する変調器および探知器の性能。マイクロ ‐ 流体冷却およびダイヤモンドの熱拡散器のような高度の熱解決は研究されています。低熱抵抗の基質が付いているアンテナ モジュールにフォトニックの部品を直接埋め込むことは許された限界内の接合温度を保つことができます。

コストと製造の収穫

シリコンフォトニクスは、既存のCMOSエコシステムによりコストダウンを削減していますが、リチウム・ニオベートとInPの専門プロセスは高価です。この業界は、研究者やスタートアップがより低コストでプロトタイプにできる、ファウンドリベースのマルチ・プロジェクト・ウエハ・ランで取り組んでいます。 []]]]AIM Photonics]は、アメリカではラボからファブへの移行を加速したような取り組みです。

THz の範囲の信号の整合性そして騒音

100 GHz を超える周波数では、光学コンポーネントは、レーザーフェーズの変動と相対的な強度ノイズ(RIN) からノイズを緩和する必要があります。 狭い線幅レーザーとバランスの取れた検出機構の使用は標準になっています。 さらに、光学領域で THz 波形を直接サンプル化したフォトニック系アナログアナログ対デジタルコンバーター(ADCs)は、複数の下位相変換段階を排除するために探されているため、信号の品質を事前保存します。

未来の方向:量子-高められた光子およびAIの統合

2030年を越える、6Gのフォトニクスの役割をさらに増幅する2つの新興トレンドが、さらに増幅する。

Quantum のキーの配分および処理

6G のセキュアな通信は、量子キー分布(QKD)をフォトニックインフラに統合する可能性があります。量子エラー補正とエンタランメントスワップのための単一のフォトンを操作できるフォトニックプロセッサは、開発中である。これらは、最終的に同じ光学布内の通信と計算の両方の機能を提供し、量子攻撃に対して 6G ネットワークを安全にします。

マシン学習フォトニックネットワーク制御

THz ビームと動的トラフィックフローの何千もの管理の複雑さは、自動最適化を要求します。人工知能と機械学習アルゴリズムは、レーザードリフト、繊維非線形性、およびアンテナ相差などのフォトニックシステムパラメータで訓練され、リアルタイムの再較正を有効にします。例えば、強化学習は、さまざまな負荷条件下で最小限のレイテンシをチューンするために使用され、Nature Reports[1]次のAIモードになります。

コンテンツ

光通信技術は、単に6Gのための増分改善ではありません。彼らは、テラヘルツ-レートデータ伝送、超-低レイテンシ、および次世代のワイヤレスネットワーク要求の大規模な接続のための重要な有効化装置です。統合フォトニクス回路、高速変調器、光通信スイッチ、およびビームフォーミング配列の進歩は、すでに主要な技術ハードルをクリアしています。残りの課題 — 熱管理、電子と統合、コストの調整、および政府の協力による協業、および協力的努力は、業界全体の協力的かつ協調的かつ協力的です。

光子コンポーネントが成熟し、ラボのプロトタイプからフィールド指向のモジュールに移動するにつれて、6Gネットワークが完全に接続された高忠実度のデジタルエクスペリエンスの約束を届けることを期待できます。インテリジェント制御システムとの光ベースの通信の結婚は、今日の科学小説にのみ存在するアプリケーションをロックし、リアルタイムのレーザー光線写真会議からリモート手術まで、そしてそれを超えることができます。 6Gのフォトニック革命はすでに進行中であり、その影響は10年間来ています。