Un chip per le comunicazioni 6G capace di raggiungere una velocità di trasmissione dati superiore a 100 gigabit al secondo, dieci volte oltre il limite teorico del 5G e quasi 500 volte oltre le velocità medie attuali: il dispositivo, frutto di un lavoro congiunto di ricercatori dell’Università di Pechino, della City University di Hong Kong e dell’Università della California a Santa Barbara e presentato sulla rivista Nature, promette di spianare la strada alle reti 6G del prossimo decennio, destinate a supportare il crescente utilizzo dell’intelligenza artificiale e dello streaming in ultra-Hd. Anzi, in futuro, questo tipo di architettura potrà condurre alla realizzazione di chip 6G con intelligenza artificiale nativa.
Il nuovo chip 6G misura solo 11 millimetri per 1,7 millimetri e opera su una banda ultralarga di frequenze che si estende da 0,5 GHz a 115 GHz. Per coprire questo ampio spettro servono nove diverse bande radio, un compito che di solito richiede l’utilizzo di componenti molto variegate. Il nuovo chip, invece, riesce a fare tutto da solo grazie all’aiuto di un modulatore elettro-ottico e di oscillatori optoelettronici, che permettono di convertire i segnali radio in segnali ottici e viceversa, operando così su nove bande diverse.
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Un chip 6G senza precedenti: coperti 100 GHz
Le future reti wireless di sesta generazione e oltre sono pronte a operare su un’ampia gamma di frequenze, dalle microonde alle onde millimetriche fino alle bande terahertz, per supportare una connettività diffusa in diversi scenari applicativi, spiegano i ricercatori. Ciò richiede una soluzione hardware universale che possa essere riconfigurata in modo adattivo all’interno di questo ampio spettro per supportare la copertura full-band e la gestione dinamica dello spettro stesso. Tuttavia, le soluzioni elettriche o fotoniche esistenti affrontano numerose difficoltà nel soddisfare questa esigenza a causa delle larghezze di banda limitate dei dispositivi e della natura intrinsecamente rigida delle architetture di sistema, osservano i ricercatori.
La dimostrazione realizzata dal team dimostra “comunicazioni wireless adattive su una gamma di frequenze senza precedenti che si estende oltre 100 GHz, gestite da un sistema wireless fotonico a film sottile di niobato di litio (TFLN). Sfruttando l’effetto Pockels e la scalabilità della piattaforma TFLN, otteniamo un’integrazione monolitica di elementi funzionali essenziali, tra cui la modulazione in banda base, la conversione wireless-fotonica a banda larga e la generazione riconfigurabile di segnali portanti e locali”.
Verso le future reti mobili a spettro completo e omni-scenario
“Grazie a oscillatori optoelettronici sintonizzabili a banda larga – prosegue il paper -, le nostre sorgenti di segnale operano su una gamma di frequenze record, da 0,5 GHz a 115 GHz, con elevata stabilità di frequenza e coerenza costante. Grazie alla soluzione fotonica integrata a banda larga e riconfigurabile, realizziamo comunicazioni wireless full-link su nove bande consecutive, raggiungendo velocità di trasmissione record fino a 100 Gbps”.
Inoltre, la riconfigurabilità in tempo reale consente l’allocazione adattiva delle frequenze, una capacità cruciale per garantire una maggiore affidabilità in ambienti con spettro complesso.
“Il sistema da noi proposto rappresenta un passo avanti significativo verso le future reti wireless a spettro completo e omni-scenario“, affermano i ricercatori.
Le fasi della sperimentazione
L’articolo pubblicato su Nature illustra nel dettaglio la sperimentazione condotta per arrivare alla realizzazione di questo chip 6G ad altissime prestazioni. Per prima cosa i ricercatori hanno mostrato che i singoli elementi dell’approccio wireless fotonico integrato proposto forniscono prestazioni elevate e coerenti su un’ampia larghezza di banda.
Quindi viene dimostrata la generazione dei segnali carrier e LO con riconfigurabilità flessibile e prestazioni a basso rumore su un intervallo di frequenza record da 0,5 GHz a 115 GHz.
Elemento definito ancora più importante, l’architettura di generazione del segnale proposta supera l’importante sfida dell’accumulo di rumore negli schemi di moltiplicazione di frequenza convenzionali.
Successivamente viene sfruttata la coerenza wide-band del sistema wireless fotonico proposto per dimostrare la comunicazione wireless end-to-end riconfigurabile su nove bande di frequenza consecutive.
Infine viene dimostrata la riconfigurabilità a banda larga in tempo reale del sistema per la gestione dinamica dello spettro. “Sfruttando l’effetto termo-ottico, il sistema può regolare le frequenze carrier/LO rapide, ottenendo una gamma di sintonizzazione di 6 GHz entro 180 µs”, si legge. “Questa capacità migliora notevolmente l’adattabilità dei sistemi wireless in scenari complessi del mondo reale”.
Chip adattabile ad ambienti complessi
La coerenza wide-band consente al sistema proposto di adattarsi efficacemente ad ambienti elettromagnetici complessi, migliorandone ulteriormente l’affidabilità per le comunicazioni wireless reali, conclude il paper. I ricercatori forniscono anche ulteriori elementi di dibattito sulle sfide nel raggiungimento del funzionamento a banda completa per dispositivi optoelettronici periferici, come antenne e amplificatori.
Per mostrare la prospettiva di un sistema wireless completo a spettro completo senza modifiche hardware, viene anche seguita la dimostrazione di un proof of concept della generazione di frequenza fino a 110 GHz senza sostituire alcun dispositivo elettronico.
Il livello di integrazione e le prestazioni possono essere ulteriormente migliorati attraverso tecniche di integrazione avanzate e ottimizzazione dell’architettura. Sebbene i componenti fotonici esterni negli esperimenti attuali, come laser e fotorivelatori, siano già implementati in forma integrata, un livello di integrazione più elevato può essere raggiunto attraverso tecnologie III-V-on-TFLN eterogeneamente integrate.
Approccio universale e AI nativa
“I nostri risultati sperimentali preliminari suggeriscono che gli EDFA, che consumano energia e spazio, possono essere eliminati, consentendo un collegamento completamente on-chip con un basso consumo energetico del sistema”, affermano i ricercatori. “La larghezza di banda operativa potrebbe essere estesa all’intervallo THz utilizzando modulatori TFLN a banda ultralarga e fotorivelatori a portante uni-viaggiante (MUTC) modificati”. E “Il co-packaging di elementi on-chip con fibre all’avanguardia insensibili alla piegatura con raggi di curvatura inferiori a 5 mm potrebbe potenzialmente soddisfare scenari applicativi con vincoli di spazio meno stringenti”.
In futuro, il sistema proposto “ha il potenziale per fungere da approccio universale, in cui gli algoritmi di intelligenza artificiale possono essere implementati per adattare dinamicamente l’hardware ai mutevoli ambienti e alle dinamiche di rete, seguendo il concetto di intelligenza artificiale nativa”.
Inoltre, lo schema proposto può essere adattato per il rilevamento e la comunicazione integrati (ISAC), in cui il segnale caricato può integrare ulteriormente il segnale di modulazione di frequenza lineare (LFM), per la trasmissione di dati in tempo reale e il rilevamento ambientale preciso allo stesso tempo.
