北大学者Nature发文！为6G技术扫清关键障碍

北京大学

2025/08/28

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北京大学

8月27日

北京大学王兴军教授-舒浩文研究员团队

及香港城市大学王骋教授团队

在Nature上在线发表研究论文

《全频段无线通信的超宽带集成光电融合芯片》

（“Ultrabroadband on-chip photonics for full-spectrum wireless communications”）

提出“通用型光电融合无线收发引擎”概念

成功研制出超宽带光电融合集成芯片

具有不同于过往传统方案的

多频段兼容、实时灵活以及快速重构能力

彻底克服了带宽、噪声性能与可重构性之间

难以兼顾的根本挑战

这一里程碑式的突破

为6G通信高效开发太赫兹

乃至更高频段的频谱资源扫清了关键障碍

未来，这一突破有望重塑无线通信格局

成为无线通信产业生态的技术引擎

推动我国在该领域实现

从跟跑、并跑到领跑的跨越式发展

论文截图

打造“光电融合”新技术

未来下一代无线通信网络将着眼于满足日益增长的泛在接入需求，寻找动态实时利用全频谱资源支持多样化应用场景。这项现实的应用需求，对于所应用的材料提出了全新的挑战：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，从而支持扩展现实（XR）、远程手术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。

无线网络全域覆盖愿景与传统方案局限性分析示意图

然而，为实现这种自适应全频段灵活无线通信的愿景，还需要一种兼顾“全频段无线信号”、“小型化或轻量化集成”及“低功耗运行”等多种功能的通用型硬件解决方案。目前，由于传统电子学硬件之间频段不同，其所依赖的设计规则、结构方案、材料体系均有所不同，仅可在单个频段工作，难以实现跨频段乃至全频段范围的工作。这个颠覆性的技术问题已困扰行业多年，此前，美国芯片巨头英特尔曾尝试与日本电信运营商NTT及韩国芯片生产商SK Hynix合作，试图解决功耗、计算速度等问题，半导体基板公司新光电气和半导体存储器公司铠侠也将启动类似技术的研究。

兼顾多重功能突破技术难关

为此，研究团队提出了“通用型光电融合无线收发引擎”的概念，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信。这种芯片在11 mm × 1.7 mm的微小功能区域内，对宽带无线-光信号转换、可调谐低噪声载波或本振源产生以及数字基带调制等完整无线信号处理功能进行了集成，实现了系统级的高度集成。

超宽带光电融合集成技术赋能超宽带泛在接入无线网络示意图

团队进一步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，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。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，从而彻底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。

团队的实验验证表明，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，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。以万人聚集的演唱会、体育赛事等场景为例，传统无线设备往往采用相同且固定的频率，导致用户之间相互干扰，网络体验大打折扣。而该技术则如同搭建了一条“宽阔的高速公路”。在其赋能下，周围基站与用户手机能够智能地在不同频段间进行切换以实现通信。每一台用户设备都能找到“专属通道”，自由且高效地选择不拥堵、通畅的频段开展通信，有效避免了信号拥堵和干扰问题，极大提升了通信质量与效率。

全频段无线通信星座图及误码率结果

开创未来领跑行业发展

这项发现提出全频段重构的解决方案，将催生更为灵活、智能的AI无线网络，并重塑未来无线通信的格局。其不仅能够基于“AI原生“的理念，通过植入AI算法实现硬件参数的动态自适应调整，从而应对复杂多变的通信环境，还能够被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。

在未来，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，实现我国在该领域从跟跑、并跑到领跑的跨越式发展。

北京大学电子学院博士后陶子涵、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博士后沈碧涛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。