Giriş: 6G için Fotonik Imperative
Daha yüksek veri oranları için sürekli talep, daha düşük gecikmeli ve ubiquitous bağlantı, 5G'den 6G kablosuz sistemlere doğru evrime doğru gidiyor. 6G, sub-terahertz (sub-THz) ve terahertz (THz) frekans gruplarının (100 GHz'den 3 THz'ye kadar), geleneksel elektronik devrelerin hız, verimlilik ve sinyal bütünlüğüne yönelik temel kısıtlamalara sahip olması bekleniyor.Bu, fotonik entegre devrelerin (PICs) dönüştürücü bir teknoloji olarak ortaya çıkıyor.
5G zaten arka kemiği ağlarında bazı fotonik teknikler kullanıyor olsa da, 6G ön planda fotonik entegrasyonu talep edecek ve hatta anten arayüzünde bile.Bu makale, 6G transceivers için PICs'deki son gelişmeleri araştırıyor, malzeme platformları, anahtar cihaz yenilikleri, entegrasyon stratejileri ve ticari dağıtım için yolda kalan zorluklar.
Photonic Integrated Circuits Nedir?
Fotonik bütünleşik devreler (PICs) birden çok optik bileşeni entegre eden çiplerdir - lazerler, modülatörler, dektörler, dedektörleri, filtreler ve dalga kılavuzları gibi - tek bir substrata göre, elektronik bütünleşik devreler, bu temel farklar birkaç avantaj sağlar: son derece geniş modülasyon bant genişliği, elektromanyetik müdahale etme, optik ve radyofretler için bağışıklık.
Tipik bir PIC tabanlı 6G verici, optik taşıyıcıya verileri kodlayan bir optik sinyal kaynağına dahil edebilir.In the client (e.g., Mach-Zehnder or elektro-abxia modlator) that encodes to orta frekanslar for bazband processing.The keydiode that can the keydiode that can the keynic signal into an electric signal at THz frequency.In the client can down-convert incoming THz signal to mid frequency for baseband processing.The key used the key used the keynic signal into an electric signal in their elektronik replicas.
Elektronik Bütünleşik Devrelerden Anahtar Farklar
- [FONT:0)Band genişlik:[[Dönetici: 0,4] Elektronik devreler geçiş-zaman ve RC zaman sabit sınırları ile karşı karşıyadır; fotonik modüller 100 GHz'yi aşabilir, laboratuvar gösteriler 500 GHz'ye ulaşır.
- [FONT:0)Power tüketimi: [Dönetici sinyal dağıtım ve işleme yüksek frekanslarda daha verimli olabilir, optik bağlantılar metal bağlantılarının dirençsiz kayıplarından kaçınır.
- [FONT:0)Kaynak bütünlüğü: [Dönetici bağlantılar, transkript ve elektromanyetik müdahale ile geçmek için doğal olarak bağışıklıklıdır, bu da mmWave ve THz frekanslarında şiddetlidir.
- [FONT:0)Size ve ağırlık:[Dönemli bir PIC, sabit kobiyal kablolar, dalga kılavuzları ve ayrı optik bileşenler, büyük MIMO ve fazd-array antenler için kompakt transceivers sağlar.
6G Peyzajı: Terahertz neden Fotoniklere ihtiyaç duyuyor
6G, 100 Gbps'nin 1 Tbps'ye veri oranlarına, 1 ms'in altında latımlar ve yüksek çözünürlükte algılanması için destek. Bu hedeflerin belirlenmesi, taşıyıcı frekansları 100'den fazla GHz'ye kadar gerektirir, bu frekanslarda iki lazerin yüksek olması gerekir – sürekli dalga geçirgenliği ve yüksek gürültü rakamları ile sürekli olarak hızlanabilir.
Dahası, fotonikform ve sinyal işleme, çok kanallık veri akışlarını güçten uzaklaştırarak, dijital-analog dönüştürücüleri (DACs) ve analog dönüştürücüler (ADCs) bu limit elektronik sistemlere sahip olabilir.
[FONT:0])Key Insight: ) Tek bir çip üzerinde fotonik ve elektronik işlevlerin entegrasyonu - genellikle heterojen entegrasyon olarak adlandırılır - pratik 6G transceivers'i fark etmek için en umut verici yoldur.
THz Photonic Integrated Devreler için Malzeme Platformu
Malzeme platformu seçimi, 6G için PICs'in performansını, maliyeti ve entegrasyonu yoğunluğunu belirler. Çeşitli platformlar aktif olarak araştırılır ve ticarileşmiştir.
Indium Phosphide (InP)
Indium phosphide, tek yönlü fotodiyolar ve modültörler 100 GHz'yi aştı ve tek yönlü yolculuk yapan fotodiyopirasyonlar (UTC) fotodiyomlar, modüller ve pasif bileşenler (biyönlendiriciler, dalga kılavuzları, yüksek hızlı fotonik transistimaller için en olgun platformdur.InP-tapresyonlar ve modüller mevcut olan ana dezavantajları ile daha yüksek maliyetle karşılaştırıldığında daha yüksek maliyetlidir.InP'de, yüksek çözünürlükte en olgun bir platformdur.
Silikon Fotonikleri (SiPh)
Silikon fotonikleri CMOS-ailesiz bir üretimden yararlanır, düşük maliyet ve yüksek çözünürlükte entegrasyon elektronik devrelerle sağlanırken, silikon modülatif malzemeler ( 70'in ötesindeki cihazlarla birlikte), modültörler ve fotodetektörler, taşıyıcıları veya Gezgen tabakaları kullanarak fark edilebilir. Silikon fotonik modülelleri 50-100 Gbaud'ya ulaşırken, silikon modülatörler özellikle de 70'in ötesindeki yüksek hacimli cihazlar için uygundur.
Silikon Nilü (Si3N4)
Silikon nitride çok düşük optik yayılım kaybı sunar (<0.1 dB/cm) ve yüksek hassasiyetle optik kiriş ve sinyal işlemeyi genişletebilir.Bu nedenle genellikle karma veya heterojen platformlarda aktif malzemelerle birleştirilebilir.
Lityum Niobate (LiNbO3)
Lityum niobate güçlü elektro-optik katlara sahiptir, modülellerin aşırı düşük yarı dalga gerilimi ve yüksek lineerliği ile izin verir. İnce film LiNbO3 (LNOI) modülatörler düşük motor gerilimleri ile 100 GHz'yi aştılar, onları yüksek sadakat için ideal hale getirirler. LNOI platformu InP veya SiPh'den daha az olgundur, ancak yüksek modlama tekniklerinin birleşimini bulmaya çalışıyor.
Heterojen ve Hibrit Bütünleşme
Tek bir malzeme tüm gereksinimleri karşılamaz. Bu nedenle, endüstri heterojen entegrasyon üzerinde bir araya getirilir - ortak bir substrat üzerinde farklı malzemeler (örneğin, InP lazerleri ve LNOI modüllators) Gelişmiş paketleme teknikleri, mikro-transfer baskı, wafer bağı ve 3D entegrasyonu gibi. Bu yaklaşım, tek bir çip üzerinde tam transceivers inşa etmek için kritiktir.
6G için Key Photonic Bileşenlerde İleriler
Yüksek Hız Modulators
Modelators elektrik temel bant sinyalleri optik bir taşıyıcıya dönüştürürler. 6G için, 16-QAM, 64-QAM ve hatta 100 Gbaud'un üzerindeki sembolü oranları ile modlama formatlarını desteklemeleri gerekir.
- InP Mach-Zehnder modüllators 80-100 GHz ve düşük V235 (<2 V).
- [FONT:0]LNOI modüllators[DÜT:1] 110 GHz bant genişliğine ve V}}L'ye 2 V·cm'den daha az ulaşma.
- [FONT:0]Plasmonik-organik hibrit modüller[[Döneticileri), modulation bant genişliğine 500 GHz'ye kadar ulaşabilen elektro optik polimerler kullanarak, daha yüksek kayıplarla albeit.
- [FONT:0]Silicon modüllators with yavaş-wave elektrotlar[[Döneticileri) 70 GHz'in ötesine uzatıyor, alt-THz grupları için uygun.
THz Generation için fotodiodes ve Tespit
Uni-PD-carrier (UTC) fotodiodes, 300 GHz'de ve bant genişliğine sahip olan çalışma gruplarıdır.Inktrüksiyon-kanser (UTC) fotodiodes, doğrudan THz aralığındaki ısıtılır.InP'de anlık olarak x-pico bütünleme alanıyla ilgili olarak, sabit bir arama alanı ile ilgili olarak, fotokoleksiyonlar (PCAs) tarafından kontrol edilir.
Optik Frekans Combs
Frekans s - eşit uzaylı optik hatları yaylayan kaynaklar - tek bir çipde birden fazla THz taşıyıcı oluşturmak için değerlidir.Seks mikro-resoncular, transceiver mimarisine dayanan yüzlerce komp hattı üretirler.
Fazd Dizi ve Kiriş
6G, kirişli direksiyon ve uzaysal çokluxing için fazlı antenler kullanacak. Fotoğrafik kirişler, optik gerçek zamanlı gecikmeler (OTTD) geniş bantlar, squint-free operation. Silikon nitride dalga kılavuzları, ring resoners ve ikili ağaçlar programlanabilir gecikme hatlarının alt-picosaniye çözümü ile entegrasyonunu fark edebilir.
Son Sistem-Level Şeytanları
Örneğin, laboratuvarda PIC tabanlı 6G vericileri ve alıcılara bir ekip IHP (Almanya) entegre InP UTC-PDs ile silikon Almanium (SiGe) HBT amplifikatörleri ile 300 GHz'de çalışan bir THz vericisi verileri üretmiştir.In Fujitsu ve NTT'den bir başka grup LNOI modülatörü ve UTC-PD kullanarak bir LNOI modülünü 100 GHz'yi daha fazla gerçekleştirmiştir. AB projesinde, araştırmacılar InPnic transiverstr ile 100 GHz bağlantılarını 100 üzerinden gerçekleştirmiştir.
Bu prototipler fotonik entegrasyonunun hız ve bant genişliği gereklilikleriyle karşılayabileceğini gösteriyor. Bir sonraki adım, tam transiverite zincirini entegre etmek - lazer, modülatörü, fotodiyode, anten feed ve fotodiode almak - tek bir çip üzerinde.EU projesi H2020 sadece bir öncü oldu; 6G-PHOTON gibi mevcut girişimler, MIMO için tam olarak entegre transiversiyona doğru itiyor.
Ticarileştirme ve Yol
Heat Management
Fotonik cihazlar, özellikle lazerler ve yüksek güç fotodiodes, ısı üretmek. THz nesilde, fotodiode yüksek fototalıları ele almak, performansları azaltabilecek yerel sıcaklıklara yol açmalı. Mikro-fluidic kanalları kullanarak verimli termal yönetim, elmas substratları veya termoelektrik soğutucuları önemlidir.
Ambalaj ve Coupling
PIC'den fibere kadar verimli bir şekilde darbe ışığı ve elektronik sürücü / amplifik çipler, büyük bir şişe (TSV) ve interposerleri elektronikten yüksek frekanslı elektrik sinyallerine (örneğin, wafer- level çip-scalepack) ile entegre edilir.
Üretim ve Maliyet
Fotonik bulguları ölçekleniyor, ancak aktif bileşenler için veri (daha çok modülatörler) elde etmek CMOS elektronikten daha düşük.Bir çip üzerinde birden fazla malzemeyi entegre etmek, işlem adımlarını ve hataları fırsatları geliştirmek. Standart PDKs (işlem tasarım kitleri) ve çok proje wafer çalışır.
Lazer Gürültü ve Coherence
THz nesil için heterodyning, lazerlerin faz gürültüsü doğrudan elektromanyetik aralığın faz gürültüsüne tercüme eder. Lazer hattı genişliği veya geri bildirim teknikleri yüksek sipariş modu için faz gürültü gereksinimlerine uygun olmalıdır.In-çik lazerler (e.g., dağıtılmış geri bildirim lazerleri)
Future Kablosuz İletişim Üzerine Etkisi
Teknik engeller üstesinden geldiğinde, PIC tabanlı 6G transceivers, yeni bir kablosuz servis sınıfı sağlayacaktır. ultra yüksek veri oranları holografik iletişim, gerçek zamanlı dijital ikizler ve immersive genişletilmiş gerçeklik (XR) uygulamaları için aynı fotonik devreleri destekler.
6G'nin ötesinde, PICs, fotoniklerin ve kablosuz bağlantının bir araya gelmesi için yol açacak; 2020'lerin ve ötesindeki yoğun küçük hücrelerin iletişim altyapısının tanımlanmasına yönelik bir paradigma değişikliğidir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Fotonik bütünleşik devreler 6G vericileri ve alıcıları gerçekleştirmek için anahtar taşı teknolojidir ve bu da altıG performans hedeflerini verimli bir şekilde çalıştırabilecektir.Perahertz aralıklarında ilerlemeler -P, silikon fotonikler, LNOI ve heterojen entegrasyon - kablosuz iletişimin geleceği fotonik olacaktır ve bina blokları burada olacaktır.
[FONT=0) Daha fazla okuma için, araştırma için aşağıdaki gibi, aşağıdaki tabloda yer alan bir dizi yazının yer aldığı için, [FONT=0) ve [FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=3}[FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=)