【儀表網 研發快訊】北京大學電子學院王興軍教授、舒浩文研究員和香港城市大學電氣工程學院王騁教授聯合團隊在下一代無線通信(6G)和光電融合領域取得重大突破，首次實現基于光電融合集成芯片的自適應全頻段高速無線通信。2025年8月27日，相關研究成果以《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，在線發表于國際頂級學術雜志《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絡將動態實時利用全頻譜資源來支持多樣化應用場景(圖1a)。例如，高頻毫米波和太赫茲波段將提供更高的數據速率和更低的時延，從而支持擴展現實(XR)、遠程手術等新興數據密集型業務；而低傳播損耗的Sub-6 GHz、微波等波段則繼續為城市或偏遠區域提供廣域覆蓋。此外，系統還需具備實時頻譜重構能力，以確保在復雜頻譜環境中的高效利用和穩定連接。為實現這種自適應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，傳統電子學硬件僅可工作在單個頻段，不同頻段的器件依賴不同的設計規則、結構方案和材料體系，難以實現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賦能超寬帶泛在接入無線網絡示意圖
為此，研究團隊提出了“通用型光電融合無線收發引擎”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，實現了超過110GHz覆蓋范圍的自適應可重構高速無線通信(圖1b)。該芯片在11mm × 1.7mm的微小功能區域內(圖1d和e)，集成了寬帶無線-光信號轉換、可調諧低噪聲載波/本振源產生以及數字基帶調制等完整無線信號處理功能，實現了系統級的高度集成(圖1c)。團隊基于該核心芯片提出了高性能光學微環諧振器的集成光電振蕩器(OEO)架構。該架構通過高精度微環的頻率精確選擇并鎖定振蕩模式，從而產生在超寬帶范圍內任意頻點的低噪聲載波與本振信號。相比傳統基于倍頻器的電子學方案，該片上OEO系統首次實現了0.5GHz至115GHz中心頻率的實時、靈活、快速重構能力。其跨越近8個倍頻程的低噪聲信號調諧性能，是迄今為止任何其他平臺或技術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避了傳統倍頻鏈因噪聲累積而導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在帶寬、噪聲性能與可重構性之間難以兼顧的根本挑戰。
圖2 全頻段無線通信星座圖及誤碼率結果
實驗驗證表明，該系統可實現>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展現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通信高效開發太赫茲及乃至更高頻段的頻譜資源掃清了關鍵障礙。進一步，得益于光電融合集成電路的可調諧特性，該系統支持工作頻率的實時重構。即使在信道受噪聲干擾或多徑效應等被動影響而劣化時，仍能通過動態切換至安全頻段確保通信可靠性。
這種全頻段重構的解決方案將催生更靈活、智能的AI無線網絡，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算法實現硬件參數的動態自適應調整，以應對復雜多變的通信環境；另一方面，該架構還可應用于通信感知一體化場景，通過加載線性調頻信號，同步實現實時數據傳輸與環境精準感知。該方案還將產生顯著的產業鏈帶動效應，特別是為寬頻帶可重構天線等關鍵器件的創新發展注入新動力。下一步，研究團隊將著力提升系統集成度，以實現激光器、光電探測器和天線的單片集成，最終實現可適配任何系統的“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革命的技術引擎，帶動整個產業生態的協同創新與跨越式發展，實現我國在該領域從跟跑、并跑到領跑的跨越式發展。
王興軍領導的研究團隊近幾年在高速光電子集成芯片和信息系統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，驗證多個典型應用。例如，在數據中心領域，首次提出了微腔光梳驅動硅光芯片的技術路徑，實現了Tb/s級硅基片上大容量光通信【Nature，605(7910)：457—463，2022】；在自動駕駛領域，針對空間探測時間-頻率阻塞問題，研發出了超大規模并行混沌信號源【Nature Communications 14(1)：4590,，2023】，實現了毫米級的感知精度和百倍數量級的抗噪能力提升【Nature Photonics，17(4)：306—314，2023】；在人工智能的數據密集型計算中，提出并驗證了片上計算互聯新架構，先后實現了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的數據速率密度并行互聯【Nature Communications，16(1)：6547，2025】。上述成果系統性地展示了并行化在帶寬擴展和算力提升的獨特優勢。以此為基礎，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，有效解決了傳統硅基調制器帶寬受限的瓶頸，實現了電光帶寬達110GHz的純硅調制器【Science Advances，9(42)：eadi5339，2023】；同時，探索并開發了片上微環諧振器的多模光子分子開關，展現出寬帶高精度的信號處理性能【Light: Science & Applications，13(1)：51，2024】。基于上述研究基礎，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諧能力，為6G通信泛在接入與高速互連、動態頻譜靈活分配、小型化低成本提供了顛覆性解決方案。
北京大學電子學院博士后陶子涵、北京大學集成電路學院博士生王皓玉、香港城市大學電氣工程學院研究助理教授馮寒珂、北京大學電子學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，北京大學長三角光電科學研究院助理研究員孫丹、香港城市大學博士后陶源盛、北京大學集成電路學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計劃青年科學家項目，國家自然科學基金青年學生基礎研究項目、重點項目、國家重大科研儀器研制項目、青年科學基金項目(B類)、青年科學基金項目(C類)，以及香港研究資助局優配基金、新晉學者基金、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基金青年學生基礎研究項目資助，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”，為該論文相關工作的開展提供了重要支撐。
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