利用先進(jìn)的薄膜鈮酸鋰光子材料，基于全新架構(gòu)，我國學(xué)者研發(fā)出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。8月27日，該研究成果以“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。

傳統(tǒng)電子學(xué)硬件僅可在單個頻段工作，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，難以實現(xiàn)跨頻段工作。

為了彌合不同頻段設(shè)備的“段溝”，北京大學(xué)王興軍教授、舒浩文研究員和香港城市大學(xué)王騁教授合作開展“超寬帶光電融合無線收發(fā)引擎”的研究，基于先進(jìn)的薄膜鈮酸鋰光子材料平臺，成功研制出能夠具有進(jìn)行寬帶無線與光信號轉(zhuǎn)換、低噪聲載波本振信號協(xié)調(diào)、數(shù)字基帶調(diào)制等能力的集成芯片。

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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

基于該核心芯片，團隊進(jìn)一步提出高性能光學(xué)微環(huán)諧振器的集成光電振蕩器（OEO）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，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，該片上OEO系統(tǒng)首次實現(xiàn)了0.5GHz至115GHz中心頻率的實時、靈活、快速重構(gòu)，跨越近8個倍頻程的低噪聲信號調(diào)諧性能，既可調(diào)度數(shù)據(jù)資源豐富、速率極高卻難遠(yuǎn)距傳輸高頻段，也可調(diào)度穿透性強、覆蓋廣卻容量有限的低頻段，是一次里程碑式突破。

這一方案從原理上規(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，能夠克服以往系統(tǒng)在帶寬、噪聲性能與可重構(gòu)性之間難兼顧的困難。

實驗驗證表明，基于芯片的創(chuàng)新系統(tǒng)可實現(xiàn)大于120Gbps的超高速無線傳輸速率，滿足6G通信峰值速率要求，且端到端無線通信鏈路在全頻段內(nèi)性能一致，高頻段性能未見劣化。這為6G通信在太赫茲乃至更高頻段頻譜資源的高效開發(fā)掃清了障礙。

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全頻段無線通信星座圖及誤碼率結(jié)果

王興軍認(rèn)為，該芯片將為“AI原生網(wǎng)絡(luò)”奠定硬件基礎(chǔ)，它可通過內(nèi)置算法動態(tài)調(diào)整通信參數(shù)，應(yīng)對復(fù)雜電磁環(huán)境，也可使未來的基站和車載設(shè)備在傳輸數(shù)據(jù)時精準(zhǔn)感知周圍環(huán)境，拉動寬頻帶天線、光電集成模塊等關(guān)鍵部件升級，帶來從材料、器件到整機、網(wǎng)絡(luò)的全鏈條變革。

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