8月27日
北京大學王興軍教授-舒浩文研究員團隊
及香港城市大學王騁教授團隊
在Nature上在線發表研究論文
《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”)
提出“通用型光電融合無線收發引擎”概念
成功研制出超寬帶光電融合集成芯片
具有不同于過往傳統方案的
多頻段兼容、實時靈活以及快速重構能力
徹底克服了帶寬、噪聲性能與可重構性之間
難以兼顧的根本挑戰

這一里程碑式的突破
為6G通信高效開發太赫茲乃至更高頻段的頻譜資源掃清了關鍵障礙
未來，這一突破有望重塑無線通信格局
成為無線通信產業生態的技術引擎
推動我國在該領域實現
從跟跑、并跑到領跑的跨越式發展

論文截圖

　　打造“光電融合”新技術

　　未來下一代無線通信網絡將著眼于滿足日益增長的泛在接入需求，尋找動態實時利用全頻譜資源支持多樣化應用場景。這項現實的應用需求，對于所應用的材料提出了全新的挑戰：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。

無線網絡全域覆蓋愿景與傳統方案局限性分析示意圖

　　然而，為實現這種自適應全頻段靈活無線通信的愿景，還需要一種兼顧“全頻段無線信號”、“小型化或輕量化集成”及“低功耗運行”等多種功能的通用型硬件解決方案。目前，由于傳統電子學硬件之間頻段不同，其所依賴的設計規則、結構方案、材料體系均有所不同，僅可在單個頻段工作，難以實現跨頻段乃至全頻段范圍的工作。這個顛覆性的技術問題已困擾行業多年，此前，美國芯片巨頭英特爾曾嘗試與日本電信運營商NTT及韓國芯片生產商SK Hynix合作，試圖解決功耗、計算速度等問題，半導體基板公司新光電氣和半導體存儲器公司鎧俠也將啟動類似技術的研究。

　　兼顧多重功能突破技術難關

　　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110 GHz覆蓋范圍的自適應可重構高速無線通信。這種芯片在11 mm × 1.7 mm的微小功能區域內，對寬帶無線-光信號轉換、可調諧低噪聲載波或本振源產生以及數字基帶調制等完整無線信號處理功能進行了集成，實現了系統級的高度集成。

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

　　團隊進一步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，OEO系統首次實現了0.5 GHz至115 GHz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。

　　團隊的實驗驗證表明，該系統可實現>120 Gbps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，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。以萬人聚集的演唱會、體育賽事等場景為例，傳統無線設備往往采用相同且固定的頻率，導致用戶之間相互干擾，網絡體驗大打折扣。而該技術則如同搭建了一條“寬闊的高速公路”。在其賦能下，周圍基站與用戶手機能夠智能地在不同頻段間進行切換以實現通信。每一臺用戶設備都能找到“專屬通道”，自由且高效地選擇不擁堵、通暢的頻段開展通信，有效避免了信號擁堵和干擾問題，極大提升了通信質量與效率。

全頻段無線通信星座圖及誤碼率結果

　　開創未來領跑行業發展

　　這項發現提出全頻段重構的解決方案，將催生更為靈活、智能的AI無線網絡，并重塑未來無線通信的格局。其不僅能夠基于“AI原生“的理念，通過植入AI算法實現硬件參數的動態自適應調整，從而應對復雜多變的通信環境，還能夠被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。

　　在未來，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。

　　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，北京大學電子學院王興軍教授、香港城市大學電氣工程學院王騁教授以及北京大學電子學院舒浩文研究員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、基金委重點項目、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，該論文第一作者陶子涵博士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。