【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍教授、舒浩文研究員和香港城市大學(xué)電氣工程學(xué)院王騁教授聯(lián)合團隊在下一代無線通信(6G)和光電融合領(lǐng)域取得重大突破，首次實現(xiàn)基于光電融合集成芯片的自適應(yīng)全頻段高速無線通信。2025年8月27日，相關(guān)研究成果以《全頻段無線通信的超寬帶集成光電融合芯片》(“Ultrabroadband on-chip photonics for full-spectrum wireless communications”)為題，在線發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)雜志《自然》(Nature)上。
 

　　為滿足日益增長的泛在接入需求，未來下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)將動態(tài)實時利用全頻譜資源來支持多樣化應(yīng)用場景(圖1a)。例如，高頻毫米波和太赫茲波段將提供更高的數(shù)據(jù)速率和更低的時延，從而支持擴展現(xiàn)實(XR)、遠程手術(shù)等新興數(shù)據(jù)密集型業(yè)務(wù)；而低傳播損耗的Sub-6 GHz、微波等波段則繼續(xù)為城市或偏遠區(qū)域提供廣域覆蓋。此外，系統(tǒng)還需具備實時頻譜重構(gòu)能力，以確保在復(fù)雜頻譜環(huán)境中的高效利用和穩(wěn)定連接。為實現(xiàn)這種自適應(yīng)全頻段靈活無線通信的愿景，亟須一種通用型硬件解決方案，以兼容全頻段無線信號，并滿足小型化/輕量化集成和低功耗運行的需求。然而，傳統(tǒng)電子學(xué)硬件僅可工作在單個頻段，不同頻段的器件依賴不同的設(shè)計規(guī)則、結(jié)構(gòu)方案和材料體系，難以實現(xiàn)跨頻段乃至全頻段范圍的工作。
 

圖1 超寬帶光電融合集成技術(shù)賦能超寬帶泛在接入無線網(wǎng)絡(luò)示意圖
 

　　為此，研究團隊提出了“通用型光電融合無線收發(fā)引擎”的概念，基于先進的薄膜鈮酸鋰光子材料平臺成功研制出超寬帶光電融合集成芯片，實現(xiàn)了超過110GHz覆蓋范圍的自適應(yīng)可重構(gòu)高速無線通信(圖1b)。該芯片在11mm × 1.7mm的微小功能區(qū)域內(nèi)(圖1d和e)，集成了寬帶無線-光信號轉(zhuǎn)換、可調(diào)諧低噪聲載波/本振源產(chǎn)生以及數(shù)字基帶調(diào)制等完整無線信號處理功能，實現(xiàn)了系統(tǒng)級的高度集成(圖1c)。團隊基于該核心芯片提出了高性能光學(xué)微環(huán)諧振器的集成光電振蕩器(OEO)架構(gòu)。該架構(gòu)通過高精度微環(huán)的頻率精確選擇并鎖定振蕩模式，從而產(chǎn)生在超寬帶范圍內(nèi)任意頻點的低噪聲載波與本振信號。相比傳統(tǒng)基于倍頻器的電子學(xué)方案，該片上OEO系統(tǒng)首次實現(xiàn)了0.5GHz至115GHz中心頻率的實時、靈活、快速重構(gòu)能力。其跨越近8個倍頻程的低噪聲信號調(diào)諧性能，是迄今為止任何其他平臺或技術(shù)方案均無法企及的里程碑式突破。這一方案同時從原理上規(guī)避了傳統(tǒng)倍頻鏈因噪聲累積而導(dǎo)致高頻段相位噪聲急劇惡化的問題，從而徹底克服了以往系統(tǒng)在帶寬、噪聲性能與可重構(gòu)性之間難以兼顧的根本挑戰(zhàn)。
 

圖2 全頻段無線通信星座圖及誤碼率結(jié)果
 

　　實驗驗證表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)>120Gbps 的超高速無線傳輸速率，滿足6G通信的峰值速率要求。尤為關(guān)鍵的是，得益于光電融合集成芯片的超寬帶特性，端到端無線通信鏈路在全頻段內(nèi)展現(xiàn)出卓越的性能一致性(圖2)，且高頻段性能未見劣化。這一突破性成果為6G通信高效開發(fā)太赫茲及乃至更高頻段的頻譜資源掃清了關(guān)鍵障礙。進一步，得益于光電融合集成電路的可調(diào)諧特性，該系統(tǒng)支持工作頻率的實時重構(gòu)。即使在信道受噪聲干擾或多徑效應(yīng)等被動影響而劣化時，仍能通過動態(tài)切換至安全頻段確保通信可靠性。
 

　　這種全頻段重構(gòu)的解決方案將催生更靈活、智能的AI無線網(wǎng)絡(luò)，有望重塑未來無線通信格局：一方面，基于“AI原生”的理念，可通過植入AI算法實現(xiàn)硬件參數(shù)的動態(tài)自適應(yīng)調(diào)整，以應(yīng)對復(fù)雜多變的通信環(huán)境；另一方面，該架構(gòu)還可應(yīng)用于通信感知一體化場景，通過加載線性調(diào)頻信號，同步實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸與環(huán)境精準感知。該方案還將產(chǎn)生顯著的產(chǎn)業(yè)鏈帶動效應(yīng)，特別是為寬頻帶可重構(gòu)天線等關(guān)鍵器件的創(chuàng)新發(fā)展注入新動力。下一步，研究團隊將著力提升系統(tǒng)集成度，以實現(xiàn)激光器、光電探測器和天線的單片集成，最終實現(xiàn)可適配任何系統(tǒng)的“即插即用”型智能無線通信模組。團隊期待這項研究能成為下一代無線通信技術(shù)革命的技術(shù)引擎，帶動整個產(chǎn)業(yè)生態(tài)的協(xié)同創(chuàng)新與跨越式發(fā)展，實現(xiàn)我國在該領(lǐng)域從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的跨越式發(fā)展。
 

　　王興軍領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊近幾年在高速光電子集成芯片和信息系統(tǒng)方面取得多項重要進展。在前期研究中，團隊的工作主要聚焦于光電融合并行化特性，驗證多個典型應(yīng)用。例如，在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，首次提出了微腔光梳驅(qū)動硅光芯片的技術(shù)路徑，實現(xiàn)了Tb/s級硅基片上大容量光通信【Nature，605(7910)：457—463，2022】；在自動駕駛領(lǐng)域，針對空間探測時間-頻率阻塞問題，研發(fā)出了超大規(guī)模并行混沌信號源【Nature Communications 14(1)：4590,，2023】，實現(xiàn)了毫米級的感知精度和百倍數(shù)量級的抗噪能力提升【Nature Photonics，17(4)：306—314，2023】；在人工智能的數(shù)據(jù)密集型計算中，提出并驗證了片上計算互聯(lián)新架構(gòu)，先后實現(xiàn)了1.04 TOPS/mm²的高算力密度卷積計算【Nature Communications，14(1)：66，2023】和高達1.6Tb/s/mm²的數(shù)據(jù)速率密度并行互聯(lián)【Nature Communications，16(1)：6547，2025】。上述成果系統(tǒng)性地展示了并行化在帶寬擴展和算力提升的獨特優(yōu)勢。以此為基礎(chǔ)，團隊研究方向近年來從“多通道并行擴展”深入至“單通道極限探索”，提升全維深度與靈活性。團隊通過引入慢光效應(yīng)，有效解決了傳統(tǒng)硅基調(diào)制器帶寬受限的瓶頸，實現(xiàn)了電光帶寬達110GHz的純硅調(diào)制器【Science Advances，9(42)：eadi5339，2023】；同時，探索并開發(fā)了片上微環(huán)諧振器的多模光子分子開關(guān)，展現(xiàn)出寬帶高精度的信號處理性能【Light: Science & Applications，13(1)：51，2024】?；谏鲜鲅芯炕A(chǔ)，當前工作突破性拓展了頻域自由度，有效提升了頻率覆蓋范圍和頻率域的靈活調(diào)諧能力，為6G通信泛在接入與高速互連、動態(tài)頻譜靈活分配、小型化低成本提供了顛覆性解決方案。
 

　　北京大學(xué)電子學(xué)院博士后陶子涵、北京大學(xué)集成電路學(xué)院博士生王皓玉、香港城市大學(xué)電氣工程學(xué)院研究助理教授馮寒珂、北京大學(xué)電子學(xué)院博士生郭藝君以及博士后沈碧濤為本論文共同第一作者，王興軍、王騁以及舒浩文為本文共同通訊作者，北京大學(xué)長三角光電科學(xué)研究院助理研究員孫丹、香港城市大學(xué)博士后陶源盛、北京大學(xué)集成電路學(xué)院何燕冬研究員等為本文作出了重要貢獻。該研究得到了科技部國家重點研發(fā)計劃青年科學(xué)家項目，國家自然科學(xué)基金青年學(xué)生基礎(chǔ)研究項目、重點項目、國家重大科研儀器研制項目、青年科學(xué)基金項目(B類)、青年科學(xué)基金項目(C類)，以及香港研究資助局優(yōu)配基金、新晉學(xué)者基金、香港裘槎基金項目的資助。其中，陶子涵獲得首批國家自然科學(xué)基金青年學(xué)生基礎(chǔ)研究項目資助，項目名稱為“面向6G全頻譜接入的集成微波光子射頻前端芯片研究”，為該論文相關(guān)工作的開展提供了重要支撐。