Photonic Integrated Circuits in 6g Data Transmission

Daha hızlı, daha güvenilir kablosuz iletişim hızlandığında araştırmacılar giderek fotonik bütünleşik devrelere (PICs) giderek artan 6G'nin son derece performans hedeflerini karşılamak için fotonik entegre devrelere yöneliyorlar.Bu özellikler, veri oranlarının 100 Gbps'ye dayandığını vaat ediyor, PICs, fotologlar için fotonik olarak kullanılan teknikleri, dijital ikizler ve çevreler gibi dönüştürücü uygulamaları kullanarak kullanıyor.

Bu makale, 6G veri iletimi için fotonik entegre devrelerdeki en son yenilikleri inceler, malzemelerdeki gelişmeleri kapsar, bileşen entegrasyonu, üretim teknikleri ve sistem düzeyinde tasarım. Ayrıca, gelecekteki yüksek hızlı optik bağlantılarını şekillendirecek olan araştırma yollarını inceler.

Photonic Integrated Circuits'in 6G'deki Rolü

Fotonik bütünleşik devreler, birden fazla optik işlevi entegre eden minimize cihazlardır - örneğin ışık nesli, modülasyon, algılama ve routing – tek bir çip.Elektrikli bağlantılarını optik yollar ile değiştirerek, PICs daha az enerji ve daha az ısıyı üreterek önemli olabilir.Bu özellikler özellikle yüksek frekanslarda (subTHz ve mmWave bantlarında) çalışır ve ultradense cepli cepli cepli cepli cepli cepli bağlantıları yerine getirir.

6G altyapısında, PICs birkaç kritik rol gerçekleştirmesi bekleniyor:

Ayrıca, PICs, kompakt, yüksek bant genişliği ön uç modüller oluşturmak için elektronik entegre devrelerle birlikte kurulabilir. Bu hibrit entegrasyon, bir sonraki istasyon transçeivers ve küçük hücre radyoları için önemli bir olanakdır.

Photonic Integrated Circuit Technology'deki Son Yenilikler

Son birkaç yılda, üretim, malzemelerdeki atılımlar ve tasarım, 6G uygulamaları için PICs'in performansını ve olgunluğunu hızlandırdı. Aşağıda en önemli gelişmeler var.

Tek bir Chip üzerinde Active ve Pasif Bileşenlerin Entegrasyonu

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.

Örneğin, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'ndeki araştırmacılar, saatte 112 Gbps'de silikon fotonik platformu bildirdiler – 6G sırtlamalı arabirimler için gerekli olan yüksek çözünürlükte bir adım. Benzer şekilde, Fransa'nın IIIV Lab ve STMielektronik'leri arasında işbirliği yapan bir InPon- ⁇ PIC, bir Mach-Zehndertor'a karşı yapılan bir hatayla bir araya geldi.

Gelişmiş Malzemeler: Silikon Fotonikleri, Indium Phosphide ve Graphene

Silikon fotonikleri, tamamlayıcı metal-oksit-semiktör (CMOS) süreçleri ile uyum sağlamak için yasal platformu olmaya devam ediyor. Ancak, silikonun dolaylı bandıgap, bu çözümün üstesinden gelmek için giderek daha fazla dönüyor:

Ek olarak, incefilm lityum niobate (TFL-N), 1 V'nin altındaki modüleller için umut verici bir malzeme olarak ortaya çıktı - enerji verimliliği yüksek 6G vericiler için HiperLight ve araştırmacılar gibi şirketler İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Lausanne'de TFLN modülelleri göstermiştir.

Nanofabrikasyon ile Miniaturization

Derin ultraviyole (DUV) ve aşırı ultraviyole (EUV) litografide, nanoimprint ve elektron-beam lithografi ile birlikte, 100 nm altında kritik özellik boyutlarını azaltmış durumda. Bu, büyük MIMO ve fazlı anten işlemesi için yüzlerce aktif bileşenle dalga kılavuzunu etkinleştirmiştir.

Ayrıca, 3D yığınlama teknikleri (örneğin, yüksek hız, yüksek yoğunluk) fotonikler için uyarlanmış, Kaliforniya Üniversitesi'nde bulunanlar dahil olmak üzere, çift Barbara ve IBM, kanal başına 100 üzerinden 3D PIC'yi ayrı bir şekilde optimize edebilir.

Elektronik Devrelerle Fotoniklerin entegrasyonu

Hibrit fotonikelektronik entegrasyonu - " ⁇ fotonik transceivers" veya "electro-photonic ASICs" olarak adlandırılır - sekiz hızlı CMOS sürücüsü ve alıcı çipleri ile birlikte, tasarımcılar her biri için ayrı ayrı ayrı çözümlerdeki performansı en son ürünlerden elde edebilir.

6G için, bu ko-integrasyon iki nedenden dolayı kritiktir:

2024 yılında Stuttgart ve Nokia Bell Laboratuvarları Üniversitesi ile ilgili bir araştırma konsorsiyumu, 300 GHz bandı iletimi için tam olarak entegre edilmiş bir PIC-EIC transceiver sundu. modülün üzerinde bir kartuş lazer, bir InP modüllator, bir Almanium fotodetector ve bir SiGe BiCMOS sürücüsü – tüm 10 mm pakette bir araya geldi - 10 mm × 10 mm'lik bir paket - 50 metreden fazla ücretsiz alan.

Fotonik Tüm Devrelerde Meydanlar ve Sınırlamalar 6G

Etkileyici ilerlemeye rağmen, PICs'in 6G ağlarında ölçeklenebilmesi için birkaç zorluk aşılmalıdır.

Termal Yönetim

Fotonik bileşenler - özellikle lazerler ve modülatörler - sıcaklık varyasyonları için hassastır.Integra yoğunluk artışları, bileşenler arasındaki ısı geçişi önemli bir konudur. Örneğin, lazer dalgalarının büyüklüğü 0.1 nm/°C ile sürüklenebilir, bu da 50 GHz kanalıyla yoğun bir şekilde çok yönlü kontrol sağlar ve enerji verimliliğine yol açabilir. Gelişmiş mikro-fluidic soğutma, termoelektrik soğutucular ve bir dalga kılavuz tasarımları (başka bir sıcaklık katsayı ile malzeme kullanarak 0.1-sıcaklama) incelenir.

Kumaş ve suskunluğu

Birden fazla malzeme sistemini ( ⁇ , silikon nitride, III-V, lityum niobate, 2D materyali) tek bir çip üzerinde birleştirmek son derece hassas işleme gerektirir.Devrimlerde, hassas 6G altyapıya veya hatta tam cihaz başarısızlığına neden olabilir.Mevcut PIC lag, standart CMOS elektroniklerinin arkasındaki saf öğrenmelerin arkasındaki artışlar için, bu verimsiz kullanım için hala maliyetle azaltılır.

Maliyet Azaltımı ve Scalable İmalatı

Silikon fotonikleri mevcut CMOS'un mevcut olduğu durumlarda, ek işlem adımları (örneğin, Germanyium epitaxy, oksit cladding, grating couplers) artışları ve 6G için, yoğun dağıtımların Avrupa PhotonicAll Devre Pilot Hattı (PIC-PL) gibi yoğun dağıtımların ve Amerikan Tümleşik Photonic için ABD'nin altında 10 $ 'ın altından düşmesi gerekir.

Ambalaj ve Fiber Coupling

PIC'den tek mod fibere kadar verimli bir şekilde alevlenme ışığı (ve tersi) bir şişenck, özellikle de çokluport cihazlar için gerekli yüksek yoğunluklarda, yüksekteki bu paketlerin otomatik montajları hala bir meydan okumadır ve bant genişliğine sahiptir.

Future Yol ve Gelişen Araştırma

Devam eden araştırmalar, 6G için PICs performans zarfını zorlamak için yukarıdaki zorlukların üstesinden gelmeye odaklanır.

Scalable Manufacturing ve Heterogeneous Entegrasyon

Bir sonraki büyük kilometre taşı, altta yatan silikonun performansını tamamen yükselten bir monolithic 6G transceiver PIC'nin 300 mm CMOS platformundaki performansına sahip olması için güvenilir bir yöntem gerektirecektir.Bu, Photonic Integration için III-V lazerleri, hızlı modüller ve yüksek hızlı fotodetektörlerin, alttaktörlerin performansını azaltan süreçleri gerektirir.

İntegrak Yoğunluğu Art

6G büyük MIMO dizilerinde anten elementlerinin sayısı büyüdükçe (muhtemelen binlerce Kaliforniya Üniversitesi'nden gelen potansiyel olarak), fotonik kirişli ağ aynı zamanda ölçeklendirmeli bir optik akış kılavuzunu kullanarak, optik faz hız ayarı ve dalga genişliğine sahip 50 mW, son derece gecikme elementini işlemek için 10 adet gecikme öğesi tüketmiştir.

Geliştirilmiş Enerji Verimliliği

Enerji, 6G için kritik bir ölçümdür, özellikle de batarya destekli kenar cihazları. Optik rezervuar hesaplaması, birçok ağ düğümünde entegre fotonik nöromorphic işlemciler ve koherent algılama programları, onları biraz altında 1 pJ /bit için enerjiyi daha düşüklüğe vaat eder. Ek olarak, araştırmacılar temel ağ sistemlerindeki %80'e kadar elektrik tüketimini ortadan kaldırır.

Operasyonel Band genişleyenleri genişletin

6G muhtemelen alt-THz spektrumu (100-300 GHz) ve üst mmWave bantları (60-90 GHz) ile çalışır ve bu frekansları ele geçirebilecek fotonik-fotoz spektral hibrit cihazlar üzerinde son derece hızlı bir şekilde çalışır, araştırmacılar ayrı elektronik karışımlara ihtiyaç duymadan çok sayıda frekans bandı da kapsar.

Yapay Zeka ve Makine Öğrenmesi PIC Design

Makine öğrenimi, fotonik bütünleşik devrelerin tasarımını ve optimizasyonunda giderek daha önemli bir rol oynamaktadır.Inverse tasarım algoritmaları - istenen optik fonksiyon belirtilmiştir ve bilgisayar, en uygun geometriyi yaratır - binlerce kumaşlı test yapısını aşan performansla ilgili cihazlara olanak sağlar. AI ayrıca üretim varyasyonlarının etkilerini tahmin etmek ve bunları aktif kontrol devreleri yoluyla telafi etmek için de kullanılır.

6G Networks'teki uygulamalar

Temel teknolojinin ötesinde, PICs'in 6G ağlarına entegrasyonu, saf elektronik ile imkansız olan belirli kullanım vakalarını sağlayacaktır.

Holografik Kiriş

Gerçek zamanlı gecikme (TTD) kirişleme, fotonik gecikmelerin üstün faz hassas ve geniş anlık bant genişliği sunacağı önemli bir uygulamadır.Süresel fotonikler, bir kirişli, 120°'de kirişleri hareket eden 120° alan boyunca kirişleri yönlendirebilir ve çoklu-Gbps veri akışlarını destekler.Bu, kirişlerin hareketli kullanıcılar veya araçları takip etmek için mikrosaniyelerde yeniden yüklenmelidir.

Massive MIMO ve Yeniden yapılandırılabilir Akıllı Yüzeyler

Massive MIMO, yüzlerce veya binlerce anten elementi, düşük güç fotonik dönüşümleri kullanarak inşa edilebilir akıllı yüzeyler (RIS), aktif elektronik elektronik olarak RIS elementinde doğrudan güç tüketimini performansla azaltabilir.

Terahertz Kablosuz Bağlantılar

ultra yüksek hızlı backhaul ve önhaul bağlantıları için (örneğin, temel istasyonlar veya merkezi bir ofis arasında), 100-300 GHz bandında çalışan fotonik THz kaynak ve dedektörleri kullanarak veri oranları sağlayabilir.

Edge ve Data Center Interconnects

6G çekirdek ağları, 5-10 arası çoklu sistemleri her biri için 400 Gbps'de birleştirebilecek olan optik bağlantı ile büyük veri merkezi bağlantı gerektirecektir. Tümleşik fotonikler, 6Gera veri merkezlerinde beklenen 10-toplayıcı arabirimler için zaten kritik olacaktır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Fotonik bütünleşik devreler laboratuvardan gerçek dünya 6G prototiplemeye, malzemelerde atılımlar, entegrasyon ve üretimde ilerlemeler ile hareket eder ve kompakt, düşük güç çipleri, PIC'leri bir sonraki nesil kablosuz ağların aşırı performans talepleri için doğal bir uygun hale getirirken, ısı yönetimi, üretim ve paketleme sorunları, üretim ve paketleme işlemleri her iki kamu araştırma kuruluşlarından gelen hızlandırılmış yatırım ve özel endüstri hızla boşlukları kapatmaktadır.Bu yenilikler olgun, fotonik bütünleşik devreler 6G altyapı için doğal bir temel haline gelecektir, veri iletimi hızları sağlarken, enerji ve ışıksız bir şekilde azaltılabilir bir şekilde azaltılabilir bir elektronik enerjidir.

Daha fazla okuma için, bkz.Ücretsizce Fotoğraf Raporu 6G [DÜDÜDÜDÜDÜSÜSÜSTÜDÜSÜSTÜDÜSÜSTÜDÜSÜSÜSTÜDÜSTÜSÜSÜSTÜDÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSTÜSÜSÜSTÜSÜSÜSTÜSÜSÜSÜSÜSTÜSÜSTÜSÜSTÜSÜSTÜSÜSÜSTÜSÜSÜSÜSTÜSÜSTÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSTÜSTÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSTÜSTÜSÜSTÜSTÜSTÜSTÜSÜSÜSTÜSTÜSTÜSÜSTÜSÜSTÜSTÜSTÜSTÜSTÜSTÜSÜSTÜSÜSÜSTÜSÜSÜSÜSTÜSTÜSÜSTÜSTÜSÜSTÜSTÜSTÜSTÜSTÜSÜSTÜSTÜSTÜS