北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍教授、舒浩文研究員和香港城市大學(xué)電氣工程學(xué)院王騁教授聯(lián)合團(tuán)隊在下一代無線通信（6G）和光電融合領(lǐng)域取得重大突破，首次實(shí)現(xiàn)了基于光電融合集成芯片的自適應(yīng)全頻段高速無線通信。2025年8月27日，相關(guān)研究成果以《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”）為題，在線發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)雜志《自然》（Nature）上。
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圖1 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
為滿足日益增長的泛在接入需求，未來下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)將動態(tài)實(shí)時利用全頻譜資源來支持多樣化應(yīng)用場景（圖1a）。例如，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?jǐn)U展現(xiàn)實(shí)（XR）、遠(yuǎn)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 6GHz、微波等波段則繼續(xù)為城市或偏遠(yuǎn)區(qū)域提供廣域覆蓋。此外，系統(tǒng)還需具備實(shí)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。為實(shí)現(xiàn)這種自適應(yīng)全頻段靈活無線通信的愿景，亟須一種通用型硬件解決方案，以兼容全頻段無線信號，并滿足小型化/輕量化集成和低功耗運(yùn)行的需求。然而，傳統(tǒng)電子學(xué)硬件僅可工作在單個頻段，不同頻段的器件依賴不同的設(shè)計規(guī)則、結(jié)構(gòu)方案和材料體系，難以實(shí)現(xiàn)跨頻段乃至全頻段范圍的工作。
為此，研究團(tuán)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了超過110GHz覆蓋范圍的自適應(yīng)可重構(gòu)高速無線通信（圖1b）。該芯片在11mm × 1.7mm的微小功能區(qū)域內(nèi)（圖1d和e），集成了寬帶無線-光信號轉(zhuǎn)換、可調(diào)諧低噪聲載波/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，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級的高度集成（圖1c）。團(tuán)隊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)的頻率精確選擇并鎖定振蕩模式，從而產(chǎn)生在超寬帶范圍內(nèi)任意頻點(diǎn)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，該片上OEO系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了0.5GHz至115GHz中心頻率的實(shí)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)方案均無法企及的里程碑式突破。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)。
圖2 全頻段無線通信星座圖及誤碼率結(jié)果
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)>120Gbps 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（圖2），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(jìn)一步，得益于光電融合集成電路的可調(diào)諧特性，該系統(tǒng)支持工作頻率的實(shí)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。
這種全頻段重構(gòu)的解決方案將催生更靈活、智能的AI無線網(wǎng)絡(luò)，有望重塑未來無線通信格局：一方面，基于“AI原生”的理念，可通過植入AI算法實(shí)現(xiàn)硬件參數(shù)的動態(tài)自適應(yīng)調(diào)整，以應(yīng)對復(fù)雜多變的通信環(huán)境；另一方面，該架構(gòu)還可應(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(shí)現(xiàn)實(shí)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。下一步，研究團(tuán)隊將著力提升系統(tǒng)集成度，以實(shí)現(xiàn)激光器、光電探測器和天線的單片集成，最終實(shí)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(tuán)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(shí)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)王興軍教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊近幾年在高速光電子集成芯片和信息系統(tǒng)方面取得多項重要進(jìn)展。在前期研究中，團(tuán)隊的工作主要聚焦于光電融合并行化特性，驗(yàn)證多個典型應(yīng)用。例如，在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，首次提出了微腔光梳驅(qū)動硅光芯片的技術(shù)路徑，實(shí)現(xiàn)了Tb/s級硅基片上大容量光通信（Nature, 605(7910): 457-463, 2022）；在自動駕駛領(lǐng)域，針對空間探測時間-頻率阻塞問題，研發(fā)出了超大規(guī)模并行混沌信號源（Nature Communications 14(1): 4590, 2023），實(shí)現(xiàn)了毫米級的感知精度和百倍數(shù)量級的抗噪能力提升（Nature Photonics, 17(4): 306-314, 2023）；在人工智能的數(shù)據(jù)密集型計算中，提出并驗(yàn)證了片上計算互聯(lián)新架構(gòu)，先后實(shí)現(xiàn)了1.04 TOPS/mm2的高算力密度卷積計算（Nature Communications, 14(1): 66, 2023）和高達(dá)1.6 Tb/s/mm2的數(shù)據(jù)速率密度并行互聯(lián)（Nature Communications, 16(1): 6547, 2025）。上述成果系統(tǒng)性地展示了并行化在帶寬擴(kuò)展和算力提升的獨(dú)特優(yōu)勢。以此為基礎(chǔ)，團(tuán)隊研究方向近年來從“多通道并行擴(kuò)展”深入至“單通道極限探索”，提升全維深度與靈活性。團(tuán)隊通過引入慢光效應(yīng)，有效解決了傳統(tǒng)硅基調(diào)制器帶寬受限的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了電光帶寬達(dá)110 GHz的純硅調(diào)制器（Science Advances, 9(42): eadi5339, 2023）；同時，探索并開發(fā)了片上微環(huán)諧振器的多模光子分子開關(guān)，展現(xiàn)出寬帶高精度的信號處理性能（Light: Science & Applications, 13(1): 51, 2024）。基于上述研究基礎(chǔ)，當(dāng)前工作突破性拓展了頻域自由度，有效提升了頻率覆蓋范圍和頻率域的靈活調(diào)諧能力，為6G通信泛在接入與高速互連、動態(tài)頻譜靈活分配、小型化低成本提供了顛覆性解決方案（Nature 2025）。
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，王興軍、王騁以及舒浩文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(xiàn)。該研究得到了科技部國家重點(diǎn)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、重點(diǎn)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，陶子涵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。
論文原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09451-8
