Инновации в фотонных интегральных схемах для передачи данных 6g

По мере того, как глобальный спрос на более быструю и надежную беспроводную связь ускоряется, исследователи все чаще обращаются к фотонным интегральным схемам (PIC) для достижения экстремальных целей производительности сетей шестого поколения (6G). В отличие от обычной электроники, которая опирается на электрические сигналы, PIC используют фотоны для передачи, обработки и маршрутизации информации, предлагая фундаментальные преимущества в пропускной способности, энергоэффективности и электромагнитном иммунитете. Эти свойства делают PIC важным строительным блоком для 6G, который обещает скорость передачи данных, превышающую 100 Гбит / с, задержку субмиллисекунды и поддержку преобразующих приложений, таких как голографическое телеприсутствие, цифровые двойники и зондирование окружающей среды в масштабе.

В этой статье рассматриваются последние инновации в фотонных интегральных схемах для передачи данных 6G, охватывающие достижения в области материалов, интеграции компонентов, технологий производства и проектирования на системном уровне. В ней также рассматриваются постоянные проблемы и излагаются направления исследований, которые будут формировать следующее поколение высокоскоростных оптических соединений.

Роль фотонных интегральных схем в 6G

Фотонные интегральные схемы представляют собой миниатюрные устройства, которые интегрируют несколько оптических функций, таких как генерация света, модуляция, обнаружение и маршрутизация, в один чип. Заменяя электрические межсоединения оптическими путями, PIC могут нести значительно больше данных, потребляя меньше энергии и генерируя гораздо меньше тепла. Эти характеристики особенно важны для 6G, который будет работать на более высоких частотах (диапазоны суб-THz и ммWave) и потребует развертывания сверхплотных ячеек с огромным количеством антенн.

В инфраструктуре 6G PIC-системы должны выполнять несколько важных функций:

Кроме того, PIC могут быть упакованы вместе с электронными интегральными схемами (EIC) для создания компактных, высокоширотных фронтальных модулей. Эта гибридная интеграция является ключевым фактором для следующего поколения приемопередатчиков базовых станций и радиостанций с малыми ячейками.

Последние инновации в технологии фотонных интегральных схем

За последние несколько лет прорывы в производстве, материалах и дизайне ускорили производительность и зрелость PIC для приложений 6G. Ниже приведены наиболее значительные разработки.

Интеграция активных и пассивных компонентов на одном чипе

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.

Например, исследователи из Массачусетского технологического института сообщили о платформе кремниевой фотоники, которая объединяет квантово-точечные лазеры, электро-абсорбционные модуляторы и высокоскоростные фотодиоды на 300-мм кремниевой пластине. Полученное устройство продемонстрировало безошибочную передачу данных на скорости 112 Гбит/с на полосу движения — значительный шаг к интерфейсам терабит-класса, необходимым для обратного хода 6G. Аналогичным образом, совместная работа между французской III-V Lab и STMicroelectronics произвела PIC InP-на-кремние, который сочетает в себе распределенный лазер обратной связи, модулятор Mach-Zehnder и фотодетектор в следе менее 1 мм2.

Продвинутые материалы: кремниевая фотоника, фосфат и графен

Кремниевая фотоника остается доминирующей платформой для производства ПИК из-за ее совместимости с комплементарными процессами металл-оксид-полупроводник (CMOS). Однако косвенный разрыв кремния ограничивает его способность эффективно генерировать свет. Для преодоления этого отрасль все чаще обращается к гибридным и гетерогенным решениям:

Кроме того, ниобат лития тонкопленочного типа (TFLN) стал перспективным материалом для модуляторов из-за его сильного электрооптического коэффициента и низких оптических потерь. Такие компании, как HyperLight и исследователи из Швейцарского федерального технологического института Лозанны продемонстрировали модуляторы TFLN со скоростью модуляции более 100 ГГц и полуволновыми напряжениями ниже 1 В — идеально подходит для энергоэффективных 6G-передатчиков.

Миниатюризация через нанофабрикацию

Достижения в области глубокой ультрафиолетовой (DUV) и экстремальной ультрафиолетовой (EUV) литографии, а также наноимпринтной и электронной пучковой литографии позволили уменьшить критические размеры характеристик в PIC до менее 100 нм. Это позволило волноводам с потерями суб-dB / см, микрокольцевым резонаторам с факторами качества, превышающими 106, и ультракомпактным мультиплексорам с длиной волны. Такая миниатюризация не только снижает стоимость чипа и энергопотребление, но также позволяет интегрировать сотни активных компонентов на одном кристалле - предпосылка для массивной обработки MIMO и фазированной антенны.

Кроме того, методы 3D-стекинга (например, сквозные кремниевые связки и склеивание на уровне пластин) адаптируются для фотоники, позволяя вертикально интегрировать многослойные фотонные схемы. Этот подход может отдельно оптимизировать оптический слой (низкая потеря, высокая контрастность индекса) и электронный слой (высокая скорость, высокая плотность), а затем соединять их через оптические слои. Несколько исследовательских групп, в том числе в Калифорнийском университете, Санта-Барбаре и IBM, продемонстрировали 3D PIC с более чем 100 межслойными соединениями и функциональными каналами передачи данных, работающими на скорости 25 Гбит/с на канал.

Интеграция фотоники с электронными схемами

Гибридная фотонно-электронная интеграция, часто называемая «кремниевыми фотонными приемопередатчиками» или «электрофотонными ASIC», быстро созревает. Составляя PIC с высокоскоростным драйвером CMOS и чипом приемника, дизайнеры могут минимизировать паразиты, которые ограничивают производительность в дискретных решениях. Последние продукты таких компаний, как Intel, Cisco и Broadcom, достигают скорости передачи данных 800 Гбит/с на модуль с использованием восьми мультиплексных полос с разделением волн на 100 Гбит/с каждая.

Для 6G эта интеграция имеет решающее значение по двум причинам:

В 2024 году исследовательский консорциум с участием Университета Штутгарта и Nokia Bell Labs представил полностью интегрированный приемопередатчик PIC-EIC для передачи полосы 300 ГГц. Модуль содержал лазер на кристалле, модулятор InP, германийный фотодетектор и драйвер SiGe BiCMOS — все собранные в пакете 10 мм × 10 мм — демонстрирующий передачу данных 64 Гбит / с на 50 метров свободного пространства.

Проблемы и ограничения в фотонных интегральных схемах для 6G

Несмотря на впечатляющий прогресс, необходимо преодолеть ряд проблем, прежде чем PIC-системы могут быть развернуты в сетях 6G.

Термический менеджмент

Фотонные компоненты — особенно лазеры и модуляторы — чувствительны к колебаниям температуры. По мере увеличения плотности интеграции тепловой перекрестный разговор между компонентами становится значительной проблемой. Например, длина волны лазера может дрейфовать на 0,1 нм/°C, что в системе мультиплексирования с плотным разделением длины волны с интервалом канала 50 ГГц может вызывать перекрестные и битовые ошибки. Исследуются усовершенствованные микрожидкостное охлаждение, термоэлектрические охладители и конструкции тепловых волноводов (с использованием материалов с противоположными температурными коэффициентами). Однако добавление теплового управления увеличивает стоимость и потребление энергии, частично компенсируя повышение энергоэффективности оптических соединений.

Сложность изготовления и доходность

Объединение нескольких материальных систем (кремниевый нитрид, III-V, ниобат лития, 2D-материалы) на одном чипе требует чрезвычайно точной обработки. Дефекты на гетеро-интерфейсах могут вызвать чрезмерную оптическую потерю или даже полный отказ устройства. Текущие показатели мощности для многоматериальных PIC отстают от показателей чистой кремниевой фотоники, которая, в свою очередь, отстает от стандартной CMOS-электроники. Этот штраф за выход повышает стоимость за хороший кристалл, ограничивая внедрение для чувствительной к затратам инфраструктуры 6G. Исследователи разрабатывают автоматизированные методы выравнивания и проверки с использованием глубокого обучения для выявления и компенсации неоднородностей изготовления в режиме реального времени, но эти методы все еще находятся на стадии исследования.

Снижение затрат и масштабируемое производство

В то время как кремниевая фотоника использует существующие литейные заводы CMOS, дополнительные этапы процесса (например, германий эпитакси, оксидная облицовка, решетки) увеличивают стоимость пластин. Для 6G, где плотное развертывание может потребовать десятков миллионов приемопередающих модулей, стоимость модуля должна опуститься ниже 10 долларов США для многих приложений с малыми ячейками. Для достижения этого потребуется интеграция на более высоком уровне пластин, стандартные многопроектные пластинные прогоны и оптимизированная упаковка. Промышленные инициативы, такие как Европейская пилотная линия фотонных интегральных схем (PIC-PL) и Американский институт интегрированной фотоники с открытым доступом (AIM Photonics), работают над созданием платформ для производства и библиотек дизайна, чтобы снизить барьер для новых участников.

Упаковка и волокнистая сцепка

Эффективная связь света от PIC в одномодовое волокно (и наоборот) остается узким местом, особенно при высокой плотности, необходимой для многопортовых устройств. Сцепление края, решетки и подходы к линзовому волокну имеют компромиссы в потерях, толерантности к выравниванию и пропускной способности. Новые разработки включают полимерно-волновые интерпозиторы, фотонные проводные связи и трехмерные печатные лучевые расширители, которые могут достигать потерь связи ниже 1 дБ на интерфейс. Однако автоматическая сборка этих упаковок при высокой пропускной способности по-прежнему является проблемой, и стоимость упаковки часто превышает стоимость чипа для конструкций с низким объемом.

Будущие направления и новые исследования

Текущие исследования сосредоточены на преодолении вышеуказанных проблем, одновременно расширяя диапазон производительности PIC для 6G.

Масштабируемое производство и гетерогенная интеграция

Следующим важным этапом является демонстрация полностью монолитного 6G-приемопередатчика PIC на 300-мм CMOS-платформе. Для этого потребуется надежный метод интеграции лазеров III-V, быстрых модуляторов и высокоскоростных фотоприемников без ухудшения производительности базового кремния. Несколько отраслевых академических консорциумов, включая платформу IMEC iSiPP50G и Центр фотонной интеграции NSF, активно разрабатывают процессы, которые объединяют несколько активных слоев с использованием вафельной связи и селективной эпитаксии. Ранние результаты показывают, что лазеры могут быть размещены с субмикрометровой точностью через 300-мм пластину, с выходами, превышающими 90% для простых тестовых структур.

Увеличение плотности интеграции

По мере роста числа антенных элементов в массивах MIMO 6G (потенциально в тысячи), фотонная сеть формирования луча также должна масштабироваться. Исследователи изучают двумерные волноводные массивы, оптофазовую настройку скорости и выбираемые по длине волны элементы задержки для обработки тысяч одновременных фазовых сдвигов. В недавней статье из Калифорнийского университета Дэвис описал фотонную интегральную схему для формирования луча 128×128 с использованием пассивной оптической сети подачи в сочетании с кремниевыми фотонными переключателями. Чип занимал 30 мм2 и потреблял 50 мВт на антенный элемент - фактор 10 улучшений по сравнению с электронными решениями.

Повышение энергоэффективности

Энергия на бит является критически важной метрической величиной для 6G, особенно в устройствах с батарейным питанием. Новые методы, такие как оптические резервуарные вычисления, интегрированные фотонные нейроморфные процессоры и когерентные схемы обнаружения, обещают снизить энергию на бит ниже 1 пДж/бит для короткодоступных звеньев. Кроме того, исследователи изучают архитектуры, которые устраняют необходимость оптического-электронного-оптического преобразования во многих сетевых узлах, заменяя их полностью оптическими переключателями и преобразователями длины волны. Такие конструкции «оптического обхода» могут снизить энергопотребление до 80% в маршрутизации базовой сети.

Расширение оперативных пропускных полос

6G, вероятно, будет работать в суб-THz спектре (100-300 ГГц) и верхних диапазонах mmWave (60-90 ГГц). Фотонные компоненты, которые могут обрабатывать эти частоты, должны иметь чрезвычайно быстрые возможности модуляции и обнаружения. Недавние работы на плазмо-фотонных гибридных устройствах продемонстрировали модуляторы с полосами пропускания, превышающими 300 ГГц. Аналогично, фотодетекторы на основе графена показали время отклика ниже 2 пикосекунд. Объединив эти сверхбыстрые компоненты с широкополосными антеннами, исследователи стремятся создать полностью фотонный приемопередатчик, который охватывает несколько частотных диапазонов без необходимости в отдельных электронных смесителях.

Искусственный интеллект и машинное обучение для PIC-дизайна

Машинное обучение играет все более важную роль в проектировании и оптимизации фотонных интегральных схем. Алгоритмы обратного проектирования - где указана желаемая оптическая функция и компьютер генерирует оптимальную геометрию - позволяют устройствам с производительностью, которая превышает интуитивно понятные конструкции. ИИ также используется для прогнозирования эффектов производственных изменений и компенсации их через активные схемы управления. Несколько литейных заводов теперь предлагают правила проектирования для производства (DFM), которые информируются моделями машинного обучения, обученными на тысячах изготовленных тестовых структур.

Приложения в сетях 6G

Помимо основной технологии, интеграция PIC в сети 6G позволит использовать конкретные варианты использования, которые невозможны с использованием чистой электроники.

Голографический луч

Формирование луча с истинной задержкой времени (TTD) является ключевым приложением, где фотонные задержки обеспечивают превосходную точность фазы и широкую мгновенную полосу пропускания. Используя переключаемые линии задержки в кремниевой фотонике, лучоукладчик может направлять лучи через поле зрения 120° с точностью направления 0,1° и поддерживать потоки данных с несколькими Гбит/с. Это важно для управления динамическим лучом 6G, где лучи должны быть повторно направлены в микросекундах для отслеживания движущихся пользователей или транспортных средств.

Массивные MIMO и перенастраиваемые интеллектуальные поверхности

Массивный MIMO с сотнями или тысячами антенных элементов генерирует огромное количество обработки сигналов. Фотонные интегральные схемы могут выполнять аналоговое формирование пучка и предварительное кодирование непосредственно в оптической области, резко снижая цифровую вычислительную нагрузку. Кроме того, реконфигурируемые интеллектуальные поверхности (RIS) могут быть построены с использованием массивов фотонных фазовых сдвигателей малой мощности, что позволяет пассивное управление пучками без активной электроники. Такой подход может снизить энергопотребление на элемент RIS более чем на 100 × по сравнению с электронными альтернативами.

Беспроводные ссылки Terahertz

Для сверхвысокоскоростных магистральных и фронтальных линий связи (например, между базовыми станциями или центральным офисом) фотонные приемопередатчики, работающие в диапазоне 100–300 ГГц, могут обеспечивать скорость передачи данных, превышающую 100 Гбит/с на расстояниях в несколько километров. Высокая фазовая стабильность фотонных локальных осцилляторов в сочетании с широкополосными фотодиодами позволяет полностью когерентно детектировать сигналы ТГц. Несколько полевых испытаний продемонстрировали передачу по воздуху на частоте 256 Гбит/с с использованием фотонных источников и детекторов ТГц.

Edge и дата-центры Interconnects

Основные сети 6G потребуют массивного подключения к дата-центру с оптическими межсоединениями, которые могут идти в ногу с распределенными рабочими нагрузками ИИ. Интегрированная фотоника уже используется в центрах обработки данных для приемопередатчиков высокой плотности, и 6G расширит это на распределенные граничные узлы. PIC, которые могут объединять мультиплексные каналы с длиной волны 5-10 Гбит / с каждый в одном пакете чипа, будут иметь решающее значение для 10-терабитных совокупных интерфейсов, ожидаемых в центрах обработки данных эпохи 6G.

Заключение

Фотонные интегральные схемы переходят из лаборатории в реальный мир прототипирования 6G, движимый прорывами в материалах, интеграции и производстве. Способность генерировать, манипулировать и обнаруживать свет на компактном, маломощном чипе делает PIC естественными для экстремальных требований производительности беспроводных сетей следующего поколения. В то время как проблемы в управлении тепловой энергией, выходе на производство и упаковке остаются, ускоренные инвестиции как от государственных исследовательских организаций, так и от частной промышленности быстро закрывает разрыв. По мере того, как эти инновации созревают, фотонные интегральные схемы станут краеугольным камнем инфраструктуры 6G, обеспечивая скорости передачи данных, энергоэффективность и гибкость формирования луча, которые были невообразимы с обычной электроникой.

Для дальнейшего чтения см. Optica Photonics Report on 6G, IEEE Journal of Lightwave Technology Special Issue on 6G Photonics и Nature Light: Science & Applications article on graphene photodetectors.