Современное общество стремительно развивается, предоставляя все более высокие требования к скорости передачи данных, качеству связи и масштабируемости беспроводных сетей. Появление шестого поколения сетей (6G) и технологий, последующих за ним, ставит перед инженерами и учёными задачу создания универсальных и адаптивных решений, способных охватывать широкий частотный диапазон - от микроволнового, миллиметрового волнения до терагерцевых частот. В этой связи ультраширокополосная фотоника на чипе выступает инновационной платформой, обещающей существенное улучшение в реализации таких амбициозных задач. Основы и актуальность технологии Беспроводные сети играют ключевую роль в формировании информационного общества, предоставляя возможность постоянного и быстрого обмена данными в самых разнообразных условиях. Традиционные аппаратные решения, ориентированные на узкие частотные диапазоны, создают ряд ограничений: необходимость использования различных устройств для каждого поддиапазона, а также значительные затраты на масштабирование и поддержку коммуникационной инфраструктуры.
Кроме того, характер работы классических частотных умножителей приводит к увеличению шума и снижению качества сигнала на высоких частотах. Такие ограничения снижают качество обслуживания и усложняют эффективное управление спектром, особенно в условиях засорённых и динамически меняющихся радиочастотных сред. Фотоника, как область науки и технологии, предоставляет принципиально иные возможности. Использование световых волн, обладающих огромной пропускной способностью и широким диапазоном частот, позволяет преодолеть фундаментальные ограничения электронных компонентов. На основе фотоники создаются устройства, способные одновременно работать с несколькими диапазонами частот, обеспечивать минимальные уровни фазового шума и высокую степень гибкости в настройках.
Технология тонкоплёночного литиевого ниобата (TFLN) и её преимущества Тонкоплёночный литиевый ниобат (TFLN) становится центральным элементом новой интегрированной платформы для реализации фотоники на чипе. По сравнению с традиционными литиевыми ниобатовыми устройствами, TFLN обладает существенно расширенной полосой пропускания, высокой нелинейностью электрооптического эффекта и улучшенной возможностью масштабируемой интеграции различных фотонических компонентов на едином кристалле. Благодаря высокой скорости электропроводности, низкому уровню оптических потерь и высокой добротности микрокольцевых резонаторов, TFLN обеспечивает уникальные характеристики для создания электрофотоэлектронных генераторов, модуляторов и приёмников с широким диапазоном частот и низкими потерями. Принцип действия интегрированной фотонической системы Архитектура устройства базируется на пленочном чипе, включающем в себя электрофотоэлектронные осцилляторы (OEO), модуляторы I/Q (фазоамплитудная модуляция) и методы беспроводно-фотонной конверсии. OEO используют фазово-интенсивностное преобразование сигнала с помощью микрокольцевого резонатора, что позволяет генерировать стабильный электромагнитный сигнал с настраиваемой частотой от 0,5 ГГц до 115 ГГц.
Этот диапазон охватывает все необходимое для современных и перспективных беспроводных стандартов. Передача данных происходит посредством модуляции базового сигнала, который затем преобразуется в радиочастотный несущий при помощи фотонных компонентов. Ключевым моментом архитектуры является высокая когерентность всех генерируемых сигналов, достигаемая благодаря единому лазерному источнику и синхронизации оптических и электронных путей. Такая интеграция обеспечивает сверхнизкий уровень фазового шума и стабильность сигнала, что существенно повышает качество связи, снижает ошибочные пакеты и расширяет возможности многодиапазонной адаптации. Высокая производительность и рекордные показатели скорости Эксперименты показали возможность передачи данных с общей скоростью более 100 Гбит/с на каждом канале связи, что является беспрецедентным достижением для интегрированных фотонических систем.
Многочастотный охват позволяет объединять до девяти последовательных диапазонов в одной системе, что обеспечивает максимальную гибкость в управлении спектральными ресурсами и адаптации к требованиям различных сценариев использования. Реализация систематического управления спектром в реальном времени с возможностью плавного изменения рабочей частоты открывает путь к интеллектуальному радио, способному автоматически адаптироваться к изменяющимся условиям среды, избегать помех и оптимизировать использование доступного спектра. В том числе, демонстрируется возможность активного избегания интерференции, когда система своевременно переключается на очищенный частотный диапазон модуляции сигнала. Технические вызовы и путь их преодоления Несмотря на убедительные успехи, интеграция таких сложных модулей на одном чипе сопряжена с рядом задач. Во-первых, необходима компенсация внутреннего шума и обеспечение максимально возможной добротности резонаторов при сохранении необходимой гибкости настройки.
Во-вторых, фотонные приёмники и передатчики требуют высокой наукоёмкости и точности в изготовлении для минимизации потерь и максимизации линейности. Кроме того, периферийные электронные компоненты, включая усилители и антенны, пока ещё сохраняют ограниченную полосу пропускания, требуя масштабирования и адаптации. Однако за счет продуманного дизайна фотонных модулей и их тесной интеграции с электронными элементами заметно снижается общая сложность и энергопотребление системы. Перспективы развития и применение Дальнейшее развитие фотоники на базе TFLN предусматривает повышение степени интеграции за счет гетерогенной интеграции III-V материалов непосредственно на фотонических платформах. Это позволит уменьшить размеры системы, сократить энергопотребление и повысить надёжность устройств за счёт устранения дополнительных усилителей и источников шума.
Расширение рабочих частот вплоть до терагерцевого диапазона открывает путь к новым сценариям применения: высокоскоростное видеостриминг, расширенная и виртуальная реальность, дистанционное управление и даже интегрированные системы связи и сенсоров. Возможность поддерживать связь на различных уровнях частот с единой аппаратной платформой делает такие технологии идеальным решением для умных городов, промышленного интернета вещей, автономного транспорта и медицинских приложений с критическими требованиями к задержкам и безопасности. В дополнение, гибкость управления спектром и возможность интеграции ИИ-алгоритмов в систему позволяют создавать интеллектуальные сети, способные подстраиваться под ограничения радиоэфира и обеспечивать максимально эффективное использование ресурсов за счёт динамической оптимизации параметров модуляции и маршрутизации трафика. Заключение Ультраширокополосная фотоника на чипе на базе тонкоплёночного литиевого ниобата представляет собой революционную технологию, готовую изменить ландшафт беспроводных коммуникаций. Комплексная интеграция базовых функциональных элементов, беспрецедентный частотный охват, высокая стабильность и скорость передачи данных создают фундамент для создания полноспектральных беспроводных сетей шестого поколения и последующих.
Системы на основе TFLN позволяют одновременно решать традиционные проблемы - высокую сложность аппаратной реализации, шумы и ограниченный частотный диапазон - и открывают новые возможности для развертывания интеллектуальных, многофункциональных, высокопроизводительных сетей, адаптируемых к разнообразным приложениям и условиям эксплуатации. Эта технология не только отвечает текущим вызовам, но и задаёт тренды развития в области коммуникаций, обеспечивая переход к новой эпохе полного спектра беспроводной передачи данных. .
