6G的演变和微波光学的需要

高数据率、超低低潜伏度和大规模连通性等不断需求正在推动第六代(6G)无线网络的发展。 虽然5G引入了毫米波波段,6G却旨在使用亚地热和特雷赫兹频率(100千兆赫-1THz),传统电子组件面临基本的物理限制。 在这些频率上,电子线路受到高传播损失、有限带宽和相当的功耗。 微波光学 — — 微波工程与光子技术相结合的学科 — — 提供了一种通过利用光学组件的速度和带宽来生成、操纵和传输高频信号来克服这些瓶颈的变革性方法。

微波光子可以实现6G的几个关键功能:超宽波段信号生成、精确的频率合成、低损失分布和高级束成型。 与纯电子解决方案不同,光子设备可以处理带宽超过100GHz的信号,并支持每秒范围内的数据率。 这使得微波光子不仅是一种渐进改进,而且是一种6G所设想的高频通信系统的基础增强器。

6G微波光学核心技术

集成光电路

最重要的进展之一是在单一芯片上开发集成光子电路,将激光、调制器、滤波器和探测器等多种光学功能结合起来。集成光子电路[大幅降低微波光子系统的规模、重量和功耗,使之可用于商业部署。最近使用硅光子和铝磷化平台的演示显示,有可处理 >100 Gbaud信号的紧凑的收发器。Ligentec和[PIXAP[等公司是石化公司制造的先导线,加快了生产量的路径。

高频电动模拟器

使用高频电信号的光学载体对微波光子至关重要。 电子光学调制器[ 已出现急剧改进,硝酸锂(薄膜)和质谱调制器的调制带宽度超过300千兆赫。这些设备使基带数据能够以每波长超过几立方厘米的速度直接转换为光学信号。2023年,研究人员在 苏黎世 演示了在600 Gbaud运行的质谱调制器,这是满足6G峰值数据率要求的关键步骤。

光电束成形和相位阵列

光电成形——向特定用户发射信号——由于光束宽度和大气吸收,在高频下越来越具有挑战性。光电成形[使用光学真时延线来引导天线,其精度和带宽是前所未有的。与受窄带操作影响的电子相位变器不同,光电法提供频率独立的光束导,对6G的宽带信号至关重要。 加利福尼亚大学最近的工作是圣巴巴拉,演示了一个以200GHz为工作,瞬时带宽20GHz,使空间多轴在密集部署中得以进行。

光学频率

光频梳-相同空间激光线的光谱-作为微波光子精确的频率标尺。在6G中,它们使 超稳定的信号生成[]和分布式基站的同步化成为可能。通过将梳子锁定到稳定的参照物,网络可以保持跨公里的相位一致性,对协调多点传输至关重要。微孔(综合克尔梳)尤其有希望;它们缩小了大小和功率,最近的演示显示梳子间隔与5-100GHz RF信号兼容。这种技术正由诸如 NIST[等组织为未来的移动接入网络进行探索。

最近突破和研究里程碑

微波光子研究界在过去两年中取得了显著的里程碑,直接影响到6G的可行性。2024年,诺基亚贝尔实验室和丹麦技术大学联合小组报告,一个记录为250Gbit/s的无线链路,使用一个光子发射机,使用一个单倍径的载体光电二极管,与共振天线结合,说明光子化前端的潜力。 另外,IEEE光子学会强调一个单晶硅光子芯片,将光频梳子、调制器和光解频器——一个光子化器在一次死亡时完全收发机——整合在一起,按数量顺序降低制造成本。

另一个突破涉及光学辅助模拟对数字转换(ADC). 在THz频率上,电子ADC面对热和带宽限制. 使用模式锁激光的光学取样可以在取样率超过100GS/s时达到10位以上的有效分辨率. 这种ADC对于未来必须处理大带宽的6G基站的基带处理至关重要.

与此同时,在无线集成中的研究也取得了进展。 “无线集成”的概念正在演变为“光线射线超导”的概念,其中调制光学信号直接从天线阵列中辐射,而无需电转换。 这种方法将损失和复杂性降到最低,日本的实地试验也显示出与被动光学网络的无缝集成。

部署方面的挑战

尽管有这一承诺,但在微波光子成为6G基础设施的标准组成部分之前,必须克服若干障碍。

与现有电子基础设施的一体化

目前的基站依赖于高度优化的电子电路. 将光子组件——如激光、调制器和光电二极管——与CMOS控制电子设备相结合需要小心的包装和热管理. Hybrid集成[ 已经取得进展,但是光子芯片和RF前端之间实现可靠的低成本连接仍然是非三相的,例如,将光线耦合成小波导线需要亚微波对齐,增加组装成本.

制造和材料限制

许多高性能光子设备依赖于异域材料,如硝酸锂,磷化 ⁇ 或聚合物. 这些材料的可伸缩制造工艺[ 与硅CMOS相比,成熟度较低. Yield,统一性,长期稳定性必须提高,以便进行质的部署. 此外,光学功率高的光学检测器和调制器的电处理需要小心设计,以避免非线性扭曲.

成本和能源效率

微波光子系统比电子系统更昂贵,特别是在使用离散组件时. 集成光子电路旨在降低每个功能的成本,但光子制造线的初始资本支出是很高的. 能源效率是另一个关注:激光和热电冷却器消耗电能,有可能抵消数据传输的效率增益. 然而,剑桥大学的研究表明,以100GHz的光子收发器可以实现低于10pJ/bit的能源成本,与先进的电子ASIC竞争.

未来方向和潜在影响

展望20世纪30年代,微波光子预计将扩展到基地站之外,潜在的应用包括terahertz成像[]、卫星通信[(特别是低地轨道星座)和为自主系统分布的感测网络[,微波光子与人工智能的汇合,以适应性束管理,是一个积极的调查领域,例如,光子神经网络可以处理光域中的光线成形重量,减少光度和功率。

标准化机构,如3GP和ITU-R,正在开始研究IMT-2030的要求,微波光子技术正被考虑作为物理层工具包的一部分. 2025年,欧洲项目预计会展示第一批包含光子束成型和光频梳的6G试验床MIRPHONI6G.

另一个令人兴奋的方向是在微波光子中使用 量子光学[。 通过利用挤压状态和缠绕,可能创造安全通信渠道,具有窃听的固有免疫性,而窃听是6G安全目标的关键要求。 量子微波光子学的早期实验已经证明了在室温下产生非经典的关联性,表明在十年内可以实际应用。

结论

微波光子站在光学和无线电工程的交叉点,为实现6G的极端性能目标提供了一条令人信服的途径。 最近在综合光子电路、高速调制器、光子束成形和光频梳方面的进步已经使这一技术从实验室好奇心转变为商业系统的重要候选者。 尽管在整合、制造和成本方面仍然存在挑战,但创新的步伐正在加快。 随着光子、电子和电信社区之间持续的跨学科合作,微波光子很可能成为2030年后高频通信的基石,从而能够建立定义6G的超快、低纬度和高度可靠的连接。