光子革命驱动 6G 网络

无线通信正接近一个根本性的渗透点。 随着5G仍在推出,研究人员已经在定义6G的要求,这有望提供高达1Tbps的数据速率、次毫秒潜伏率以及数十亿个互联网设备的大规模连通。 满足这些要求需要从纯粹电子方法向光子技术转变,利用光线来产生信号、调制、传输和检测。 光子提供了6G所依赖的Terahertz(THz)频率和超高带宽的唯一可扩展路径。

光子系统使用光电流而不是电流来传递信息,继承光纤的物理优势——巨大的带宽,低信号退化,以及最小的热生成,同时将其改造为无线前缘和后缘连接. 通过将光子组件直接整合到基站,天线,数据中心,6G网络可以支持实时全息通信,自主车辆协调,高真假混合体验.

光子在6G建筑中的基本作用

与早期移动代不同的是,6G将跨广频谱运行,从子-6GHz到毫米波(mmWave)到THz范围(超过100GHz). 电子电路由于寄生电容,电源分散,调频带宽有限,在如此高的频率下产生和处理信号会挣扎. 光子技术通过使用光学源,调制器,以及能够处理多--Gigahertz的探测器来克服这些限制,这些信号带宽具有极佳的线性,低相噪.

为什么光亮超越电源

6G中的光子的核心优势在于能够在远超出硅电子的频率下生成和操纵信号,例如,光学异化——混合两个略微变形的激光声调——可以从几千兆赫到几兆赫产生连续波信号,从而能够为高功率无线电连接产生精确的载体,此外,光子信号处理避免了电子放大器和混音器的带宽限制效应,保持了远距离信号的忠性。

关键字 6G 使用需要光学素的个案

  • 高清晰度全息调用,每用户需要超过10Gbps的数据速率.
  • Massive传感器网络,用于智能城市和工厂自动化,具有sub ⁇ milisecond latency.
  • 分布式空中和水下通信,电磁衰减令人望而却步,但基于激光的自由空间光学链接可以运行。
  • Real time数字双同步跨分布式边缘数据中心.

没有光子,这些应用将无法大规模实施,因为电子无线电频率链的绝对功率和带宽限制。

6G 光子元件最近的突破

过去五年来,光子元件从实验室奇遇转向可行的子系统原型。 四个领域突出:集成光子电路、超高速调制器、光子开关和光子光子光子成型阵列。

集成光电路(PIC)

与电子集成电路类似,光子集成电路将激光、调制器、放大器、探测器和多轴器结合在一个单一芯片上。 硅光子作为一个平台的使用迅速成熟,因为它利用了互补的金属氧化半导体(CMOS)制造工艺,降低了成本,并使得瓦费大规模生产成为可能。 诸如南安普敦大学[等机构最近进行的演示表明,石化公司能够处理112 Gbaud复合调制格式,直接与6G基站相关。

另一个有希望的平台是磷化铝(InP),它在一个单一芯片内提供高效的光发电和高速调制. Lumentum 等公司引入了成熟的InPPPPS用于一致的光学链接,可以重新用于THz- ⁇ band无线前 ⁇ Haul.

高电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源 电源

以THz速率将数据编码到光束上需要电子视带宽超过100GHz的调制器. 传统的锂 ⁇ niobate(LiNbO3)Mach ⁇ Zehnder调制器现在被薄 ⁇ 膜锂 ⁇ (TFLN)调制器取代,这些调制器在170GHz以上,并带有低驱动电压,这体现在IEEE Journal of Lightwave Technology. Graphene基调制器也表现出了希望,提供了超 ⁇ 频带响应(可能大于500GHz),与硅波导集成,尽管目前的设备仍然受到有限的光调制动振幅的影响.

高级光学开关

在6G网络中,动态交通引导和重组至关重要,特别是在密集的城市环境和移动网络中. 基于微电子机理系统和硅(LCOS)上的液晶的光子交换机可以在微秒内重新配置光子路径,而不会分散电子横杠的热量. 新一代的光子包交换机,如Polariton Technologies开发的交换机,在100纳秒以内实现转换时间——速度足够用于爆破6G的交通模式.

THz Antennas 光电束成型

使用窄的THz束需要具有许多元素的分阶段的“阵列”天线,每个天线都需要相控。电子相变器在THz频率上带来不可接受的损失和功耗。光子束形成法是使用光学延迟和光学注射锁来产生可控相变的2023研究证明,在Optica[中,有64的“元素”阵列在300GHz运行,这些阵列可以以方位角和亚度精确度进行引导束,从而能够实现6G所依赖的大规模多进(MIMO)多输出(MIMO)配置。

克服一体化和环境挑战

尽管实验室的里程碑令人印象深刻,但实际部署光子6G系统面临着研究人员正在积极克服的几个障碍。

与电子化CMOS系统合并

光子元件必须与处理数字调制、编码和协议堆栈的电子基带处理单元无缝地接口。 当前的处理方法包括混合芯片堆叠(光子死后是翻转的芯片捆绑在电子ASIC上)和单晶体融合(直接在硅上生长III ⁇ V光子材料),后者由于纹理不匹配而仍然具有挑战性,但最近使用西面量子点激光的工作显示出了很有希望的房间的温度连续的 ⁇ 波操作,如SPIE News[所报。

热管理

光子电路不能免受热的冲击。激光产生大量的热负荷,调制器和探测器的性能随温度而降解。正在研究先进的热溶液,如微软冷却和钻石热散器。将光子组件直接嵌入低热阻积的天线模块,可以使交叉温度保持在允许的限度内。

成本和制造

硅光子公司由于现有的CMOS生态系统而率先降低成本,但是锂和InP的专门工艺仍然昂贵。 业界正在研究铸造的多项目瓦费尔,使研究人员和创业者能够以更低的成本进行原型。 美国的AIM光子公司[计划就是加速从实验室向外观过渡的此类举措之一。

THz 范围内的信号完整性和噪音

在频率超过100千兆赫时,光学部件必须减轻激光相波动和相对强度噪音产生的噪音。使用窄的线形微波激光和平衡探测方案正在成为标准。此外,正在探索光学领域直接取样的光学模拟-数字转换器(ADCs),以消除多个下移-转换阶段,从而保持信号质量。

未来方向:量子 增强光学和AI 整合

展望2030年后,两个新出现的趋势将进一步扩大光子在6G的作用。

量子密钥分配和处理

6G的安全通信可能涉及量子键分布(QKD)整合到光子基础设施中. 能够操纵单光子校正量子错误和缠绕交换的光子处理器正在开发中,这些设备最终可以在相同的光纤结构内提供通信和计算能力,使6G网络在本质上能够抵御量子攻击.

光电网络控制机器学习

管理数千个THz束和动态流量的复杂性要求自动化优化。 人工智能和机器学习算法正在接受光子系统参数的培训,如激光漂移、纤维无线性和天线相错位等,以便能够实时重新校正。 例如,强化学习被用于调谐光子交换机,以便在不同负荷条件下达到最低的耐用性,这在来自自然科学报告的研究中有所体现。这种AIX驱动控制将成为下一代光子化基站的标准特征。

结论

光子技术不仅仅是6G的渐进改进;它们也是白热化数据传输、超低潜伏和下一代无线网络所要求的大规模连通的基本助推器。 综合光子电路、高速调制器、光子交换机和光子成型阵列的进步已经清除了重大技术障碍。 其余的挑战 — — 热管理、与电子设备的结合和成本的降低 — — 正在通过学术界、工业界和政府联合体的共同努力加以解决。

随着光子元件的成熟和从实验室原型转移到外地的“部署”模块,我们可以期望6G网络能够兑现他们的承诺,实现完全连接的高真度数字体验。 光子通信与智能控制系统的结合将解锁当今仅存在于科幻中的应用,从实时全息会议到远程手术等。 6G的光子革命已经开始,其影响将在未来几十年中被感受到。