8月27日
北京大學(xué)王興軍教授-舒浩文研究員團隊
及香港城市大學(xué)王騁教授團隊
在Nature上在線發(fā)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(fā)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(tǒng)方案的
多頻段兼容、實時靈活以及快速重構(gòu)能力
徹底克服了帶寬、噪聲性能與可重構(gòu)性之間
難以兼顧的根本挑戰(zhàn)

這一里程碑式的突破
為6G通信高效開發(fā)太赫茲乃至更高頻段的頻譜資源掃清了關(guān)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(chǎn)業(yè)生態(tài)的技術(shù)引擎
推動我國在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)
從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的跨越式發(fā)展

論文截圖

　　打造“光電融合”新技術(shù)

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

無線網(wǎng)絡(luò)全域覆蓋愿景與傳統(tǒng)方案局限性分析示意圖

　　然而，為實現(xiàn)這種自適應(yīng)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(tǒng)電子學(xué)硬件之間頻段不同，其所依賴的設(shè)計規(guī)則、結(jié)構(gòu)方案、材料體系均有所不同，僅可在單個頻段工作，難以實現(xiàn)跨頻段乃至全頻段范圍的工作。這個顛覆性的技術(shù)問題已困擾行業(yè)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(chǎn)商SK Hynix合作，試圖解決功耗、計算速度等問題，半導(dǎo)體基板公司新光電氣和半導(dǎo)體存儲器公司鎧俠也將啟動類似技術(shù)的研究。

　　兼顧多重功能突破技術(shù)難關(guān)

　　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110 GHz覆蓋范圍的自適應(yīng)可重構(gòu)高速無線通信。這種芯片在11 mm × 1.7 mm的微小功能區(qū)域內(nèi)，對寬帶無線-光信號轉(zhuǎn)換、可調(diào)諧低噪聲載波或本振源產(chǎn)生以及數(shù)字基帶調(diào)制等完整無線信號處理功能進行了集成，實現(xiàn)了系統(tǒng)級的高度集成。

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

　　團隊進一步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，OEO系統(tǒng)首次實現(xiàn)了0.5 GHz至115 GHz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)。

　　團隊的實驗驗證表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)>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(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，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。以萬人聚集的演唱會、體育賽事等場景為例，傳統(tǒng)無線設(shè)備往往采用相同且固定的頻率，導(dǎo)致用戶之間相互干擾，網(wǎng)絡(luò)體驗大打折扣。而該技術(shù)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(xiàn)通信。每一臺用戶設(shè)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(zhì)量與效率。

全頻段無線通信星座圖及誤碼率結(jié)果

　　開創(chuàng)未來領(lǐng)跑行業(yè)發(fā)展

　　這項發(fā)現(xiàn)提出全頻段重構(gòu)的解決方案，將催生更為靈活、智能的AI無線網(wǎng)絡(luò)，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(xiàn)硬件參數(shù)的動態(tài)自適應(yīng)調(diào)整，從而應(yīng)對復(fù)雜多變的通信環(huán)境，還能夠被應(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(zhǔn)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。

　　在未來，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。

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