全球首款！中國科學(xué)家實現(xiàn)6G全頻段通信芯片重大突破

2025-09-03 來源：電子工程專輯

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關(guān)鍵詞：光電融合集成技術(shù) 自適應(yīng)全頻段通信芯片 6G核心技術(shù)突破超寬帶光電融合芯片集成光電振蕩器

日前，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了一項來自中國的重大科研成果：北京大學(xué)王興軍教授、舒浩文研究員與香港城市大學(xué)王騁教授領(lǐng)銜的聯(lián)合研究團隊，成功研制出全球首款基于光電融合集成技術(shù)的自適應(yīng)、全頻段、高速無線通信芯片。

這一突破性進展標(biāo)志著我國在6G無線通信核心技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從“并跑”向“領(lǐng)跑”的跨越式發(fā)展，為未來智能無線網(wǎng)絡(luò)奠定了顛覆性的硬件基礎(chǔ)。

打破“一個頻段一套設(shè)備”困局

當(dāng)前，第五代（5G）及之前的無線通信技術(shù)受限于傳統(tǒng)電子學(xué)硬件架構(gòu)，通常只能在特定頻段工作。不同頻段的設(shè)備依賴不同的設(shè)計規(guī)則、材料體系和結(jié)構(gòu)方案，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜、成本高昂，且難以實現(xiàn)跨頻段的動態(tài)調(diào)度。

6G通信預(yù)計2030年商用，太赫茲頻段（0.1-10 THz）因其海量頻譜資源被視為核心頻段，但高頻段信號衰減快、器件設(shè)計難。隨著6G時代對超高速率、超低時延、廣域覆蓋和智能化通信的迫切需求，如何實現(xiàn)從微波、Sub-6GHz、毫米波到亞太赫茲波段的全頻譜資源高效利用，成為全球通信領(lǐng)域的核心難題。

針對這一瓶頸，研究團隊創(chuàng)新性地提出“超寬帶光電融合無線收發(fā)引擎”架構(gòu)，利用先進的薄膜鈮酸鋰（Thin-Film Lithium Niobate, TFLN）光子材料平臺，將無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵功能——包括寬帶無線-光信號轉(zhuǎn)換、低噪聲載波/本振信號生成、數(shù)字基帶調(diào)制與解調(diào)等——高度集成于單一芯片之上。

超寬帶光電融合集成技術(shù)賦能全頻段泛在接入無線網(wǎng)絡(luò)示意圖

此次突破使單芯片覆蓋全頻段（含太赫茲）成為可能，可簡化6G基站與終端設(shè)計，降低組網(wǎng)成本?！蹲匀弧菲诳瘜徃迦嗽u價：“該工作通過光電協(xié)同設(shè)計，突破了電子學(xué)頻段隔離與光子學(xué)帶寬受限的雙重矛盾，為6G空天地一體化網(wǎng)絡(luò)提供了關(guān)鍵硬件支撐。”

芯片僅指甲蓋大小，性能實現(xiàn)里程碑式跨越

該芯片功能區(qū)域尺寸僅為11毫米 × 1.7毫米，大小與拇指指甲相當(dāng)，卻實現(xiàn)了從0.5 GHz至115 GHz的超寬頻率覆蓋，跨越近八個倍頻程，兼容微波、毫米波乃至亞太赫茲頻段。這一性能打破了傳統(tǒng)電子器件“一個頻段一套設(shè)備”的僵局，真正實現(xiàn)了“一芯多用”。

研究團隊制備的超寬帶光電融合芯片（圖自：北京大學(xué)）

其核心技術(shù)突破在于構(gòu)建了片上集成光電振蕩器（OEO），通過高精度光學(xué)微環(huán)諧振器“鎖定”頻率，可在全頻段內(nèi)實時、靈活、低噪聲地生成任意頻點的通信信號。相比傳統(tǒng)電子倍頻方案在高頻段因噪聲累積導(dǎo)致信號質(zhì)量急劇劣化的難題，該技術(shù)從原理上規(guī)避了這一限制，確保了在115 GHz極高頻率下信號依然穩(wěn)定清晰。

全頻段無線通信星座圖及誤碼率結(jié)果

實驗驗證表明，基于該芯片的無線通信系統(tǒng)可實現(xiàn)大于120 Gbps的超高速無線傳輸速率，完全滿足6G通信的峰值速率指標(biāo)。尤為關(guān)鍵的是，端到端通信鏈路在全頻段內(nèi)性能高度一致，高頻段未出現(xiàn)性能劣化，為太赫茲通信的實用化掃清了關(guān)鍵障礙。

智能通信：動態(tài)調(diào)頻、環(huán)境感知、AI原生網(wǎng)絡(luò)

該芯片不僅具備超寬帶和高速傳輸能力，更擁有卓越的“環(huán)境智能”。系統(tǒng)支持工作頻率的實時重構(gòu)，當(dāng)某一頻段受到干擾或阻塞時，可在180微秒內(nèi)完成頻率切換，自動跳轉(zhuǎn)至清晰頻段建立新通信通道，顯著提升通信可靠性和頻譜利用效率。

王興軍教授形象地比喻：“這項技術(shù)就像一條超寬的高速公路，車輛（電子信號）可以在多個車道（頻段）上靈活行駛。如果一條車道擁堵，車輛能迅速變道，確保暢通無阻?！?/span>

系統(tǒng)協(xié)調(diào)無線頻譜管理

研究團隊指出，這一成果將為“AI原生網(wǎng)絡(luò)”奠定硬件基礎(chǔ)。未來，通過植入AI算法，系統(tǒng)可動態(tài)調(diào)整通信參數(shù)，實現(xiàn)對復(fù)雜電磁環(huán)境的自主感知與優(yōu)化。同時，該架構(gòu)也是通信-感知一體化的理想載體，未來基站或車載設(shè)備在傳輸數(shù)據(jù)的同時，還能精準(zhǔn)感知周圍環(huán)境，真正實現(xiàn)“通信即感知”。

推動全鏈條產(chǎn)業(yè)變革，邁向“即插即用”智能模組

從產(chǎn)業(yè)角度看，這項突破將強力拉動寬頻帶可重構(gòu)天線、光電集成模塊、激光器、探測器等上下游關(guān)鍵部件的技術(shù)升級，有望帶動從材料、器件到整機、網(wǎng)絡(luò)的全鏈條變革。

下一步，研究團隊將致力于推進激光器、光電探測器和天線的單片集成，目標(biāo)是開發(fā)出像U盤一樣“即插即用”的智能通信模組，可廣泛嵌入手機、移動基站、無人機、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等各類終端，為智慧城市、遠程醫(yī)療、擴展現(xiàn)實（XR）、自動駕駛等未來應(yīng)用場景提供強大支撐。

北京大學(xué)電子學(xué)院2020級博士生陶子涵（現(xiàn)為北京大學(xué)博雅博士后）、北京大學(xué)集成電路學(xué)院2022級博士生王皓玉、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2023級博士生郭藝君以及北京大學(xué)電子學(xué)院2019級博士生沈碧濤（現(xiàn)為北京大學(xué)博新、博雅博士后）為該論文共同第一作者；王興軍、王騁以、舒浩文為共同通訊作者；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該文作出了重要貢獻。研究工作得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、香港研究資助局等項目支持。