北京大学王兴军教授、舒浩文研究员和香港城市大学王骋教授在下一代无线通信（6G）和光电融合领域取得重大突破，首次实现基于光电融合集成技术的自适应全频段高速无线通信。相关研究成果以《面向全频段无线通信的超宽带片上光电融合系统》（“Ultrabroadband on-chip photonics for full-spectrum wireless communications”）为题，在线发表于Nature，论文链接：。
研究背景
展开剩余82%为满足日益增长的信息泛在接入需求，未来下一代无线通信网络将动态实时利用全频段资源来支持多样化应用场景（图1a）。例如，高频毫米波和太赫兹波段将提供更高的数据速率和更低的时延，从而支持虚拟显示、智慧工厂等新兴数据密集型业务；而低传播损耗的Sub-6 GHz、微波等波段则继续为城市或偏远区域提供广域覆盖。此外，系统还需具备实时频谱重构能力，以确保在复杂频谱环境中的高效利用和稳定连接。为实现这种自适应全频段灵活无线通信的愿景，亟须一种通用型硬件解决方案，以兼容全频段无线信号，并满足小型化/轻量化集成和低功耗运行的需求。然而，传统电子学硬件仅可工作在单个频段，不同频段的器件依赖不同的设计规则、结构方案和材料体系，难以实现跨频段乃至全频段范围的工作（图1b）。
图1（a）未来无线网络全场景应用愿景图及（b）现有系统倍频原理示意
研究进展
为此，研究团队提出了“超宽带光电融合无线收发引擎”的概念（图2a），基于先进的薄膜铌酸锂光子材料平台成功研制出超宽带光电融合集成芯片，实现了超过110 GHz覆盖范围的自适应可重构高速无线通。该芯片在11 mm × 1.7 mm的微小功能区域内（图2b），集成了宽带无线-光信号转换、可调谐低噪声载波/本振源产生以及数字基带调制等完整无线信号处理功能，实现了系统级的高度集成。
图2（a）超宽带光电融合无线收发引擎原理示意图；（b）芯片封装实物图
团队基于该核心芯片提出了高性能光学微环谐振器的集成光电振荡器（OEO）架构。该架构通过高精度微环的频率精确选择并锁定振荡模式，从而产生在超宽带范围内任意频点的低噪声载波与本振信号。相比传统基于倍频器的电子学方案，该片上OEO系统首次实现了0.5 GHz至115 GHz中心频率的实时、灵活、快速重构能力（图3a）。其跨越近8个倍频程的低噪声信号调谐性能，是迄今为止任何其他平台或技术方案均无法企及的里程碑式突破。这一方案同时从原理上规避了传统倍频链因噪声累积而导致高频段相位噪声急剧恶化的问题，团队验证了不同频点下相位噪声性能的一致性（图3b），从而克服了以往系统在带宽、噪声性能与可重构性之间难以兼顾的根本挑战。
图3（a）利用片上光电振荡器所产生的本振信号频谱图；（b）不同频点的相位噪声结果图
实验验证表明，该系统可实现≥120 Gbps 的超高速无线传输速率，满足 6G 通信的峰值速率要求。尤为关键的是，得益于光电融合集成芯片的超宽带特性，端到端无线通信链路在全频段内展现出卓越的性能一致性（图4），且高频段性能未见劣化。这一突破性成果为6G 通信高效开发太赫兹及乃至更高频段的频谱资源扫清了关键障碍。进一步，得益于光电融合集成技术的可调谐特性，该系统支持工作频率的实时重构。即使在信道受噪声干扰或多径效应等被动影响而劣化时，仍能通过动态切换至安全频段确保通信可靠性。
图4 全频段无线通信星座图及误码率结果
总结与展望
这种全频段重构的解决方案将催生更灵活、智能的AI无线网络，有望重塑未来无线通信格局：一方面，基于"原生AI "的理念，可通过植入AI算法实现硬件参数的动态自适应调整，以应对复杂多变的通信环境；另一方面，该架构还可应用于通信感知一体化场景，通过加载线性调频信号，同步实现实时数据传输与环境精准感知。该方案还将产生显著的产业链带动效应，特别是为宽频带可重构天线等关键器件的创新发展注入新动力。下一步，研究团队将着力提升系统集成度，以实现激光器、光电探测器和天线的单片集成，最终实现可适配任何系统的"即插即用"型智能光电融合无线通信模组。团队期待这项研究能成为下一代无线通信技术革命的技术引擎，带动整个产业生态的协同创新与跨越式发展。
北京大学电子学院博士毕业生陶子涵（现为北京大学博雅博士后）、北京大学集成电路学院博士生王皓玉、香港城市大学电气工程学院研究助理教授冯寒珂、北京大学电子学院博士生郭艺君以及北京大学电子学院毕业生沈碧涛（现为北京大学博雅博士后）为本论文共同第一作者，北京大学电子学院王兴军教授、香港城市大学电气工程学院王骋教授以及北京大学电子学院舒浩文研究员为本文共同通讯作者，北京大学长三角光电科学研究院助理研究员孙丹、香港城市大学博士后陶源盛、北京大学集成电路学院何燕冬研究员等为本文作出了重要贡献。
该研究得到了科技部国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金青年学生基础研究项目、基金委重点项目、国家重大科研仪器研制项目、青年科学基金项目（B类）、青年科学基金项目（C类）以及香港研究资助局优配基金、新晋学者基金、香港裘槎基金项目的资助。其中，该论文第一作者陶子涵博士获得首批国家自然科学基金青年学生基础研究项目资助，项目名称为：“面向6G全频谱接入的集成微波光子射频前端芯片研究”，为该论文相关工作的开展提供了重要支撑。
供稿 | 论文作者团队
编辑 | 徐睿
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