2026年2月18日，研究論文《集成光子學賦能超寬帶光纖-無線通信》（“Integrated photonics enabling ultra-wideband fibre–wireless communication”）在線發(fā)表于國際頂尖學術(shù)期刊《自然》（Nature）。北京大學電子學院王興軍教授-舒浩文研究員團隊與鵬城實驗室余少華院士團隊、上�？萍即髮W陳佰樂副教授課題組、國家信息光電子創(chuàng)新中心肖�？偨�(jīng)理團隊等合作，在下一代無線通信（6G）及光通信領(lǐng)域取得突破性進展，在國際上首次提出了集成“光纖-無線融合通信”概念，率先實現(xiàn)了光纖和無線通信系統(tǒng)間的跨網(wǎng)絡無縫融合。通過自研的超寬帶光電融合集成芯片和AI賦能的先進均衡算法，該研究所研發(fā)的系統(tǒng)在電信通訊的所有主要場景中（包括光纖、無線及其混合鏈路）均能支持創(chuàng)世界紀錄的數(shù)據(jù)傳輸速率，實現(xiàn)“一套系統(tǒng)、跨場景復用”。
論文截圖
研究團隊采用集成光學方案，實現(xiàn)了250GHz以上超大帶寬的光電/電光轉(zhuǎn)換器件，薄膜鈮酸鋰調(diào)制器（TFLNMZM）和磷化銦探測器（InP UTC-PD）帶寬均創(chuàng)紀錄�；谏鲜銎骷�，研究團隊實現(xiàn)了光纖-無線一體化融合系統(tǒng)演示，光纖通信實現(xiàn)破紀錄的單通道256Gbaud（512Gbps）信號傳輸，太赫茲無線通信實現(xiàn)破紀錄的單通道400Gbps信號傳輸，并完成了86路8K高清實時視頻的無線傳輸演示。這一里程碑式的突破有望重塑電信通訊系統(tǒng)架構(gòu)，為未來全光互聯(lián)的愿景奠定研究基礎，推動我國在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)跨越式發(fā)展。
近年來，隨著AI技術(shù)的快速發(fā)展，更高密度、更高性能算力成為未來人工智能領(lǐng)域競爭中的關(guān)鍵一環(huán)。如何實現(xiàn)算力芯片間及大規(guī)模數(shù)據(jù)中心內(nèi)更高速的互聯(lián)成為制約算力資源發(fā)展的重要瓶頸。與此同時，星地通訊、智能網(wǎng)聯(lián)汽車等日益增長的泛在接入需求對以太赫茲（THz）通信為代表的下一代移動通信技術(shù)提出了更高容量和更低時延的挑戰(zhàn)。此外，面向未來“萬物互聯(lián)”時代，一個電信通訊網(wǎng)絡中的長期痛點也愈發(fā)突出：光纖通信與無線通信在信號架構(gòu)與硬件約束上存在帶寬鴻溝，阻礙了統(tǒng)一的系統(tǒng)設計，導致兩者難以在同一套基礎設施上實現(xiàn)高速且兼容的端到端傳輸。
圖1 集成光子系統(tǒng)驅(qū)動的全光超寬帶電信互聯(lián)系統(tǒng)概念圖
針對上述問題，研究團隊提出了集成“光纖-無線融合通信”概念，并在硬件器件和軟件算法兩方面均實現(xiàn)顛覆性突破。研究團隊基于先進的薄膜鈮酸鋰光子材料平臺和改進型單行載流子光電探測器結(jié)構(gòu)，成功實現(xiàn)超過250GHz的寬帶平坦電-光-電轉(zhuǎn)換鏈路，從原理上規(guī)避了傳統(tǒng)電學倍頻鏈中的帶寬限制和噪聲積累，在有線和無線頻段均能提供＞100GHz的可用信號帶寬，滿足未來超高速有線和無線通信需要。同時，研究團隊還將AI技術(shù)應用于信道均衡中，提出了一種新型的基于神經(jīng)網(wǎng)絡的數(shù)字信號處理算法，顯著提升了系統(tǒng)對非線性損傷等干擾的適應能力，徹底克服了以往傳統(tǒng)均衡算法難以處理復雜信道的根本挑戰(zhàn)。
圖2 超寬帶電光-光電轉(zhuǎn)換集成光子芯片關(guān)鍵性能表征
研究團隊的實驗驗證表明，該系統(tǒng)可支持單通道光纖通信大于512Gbps的超高速直調(diào)直檢速率和大于400Gbps的光載太赫茲通信速率，達到世界領(lǐng)先水平，在全光通信領(lǐng)域樹立了新的標桿。值得注意的是，研究團隊提出的超寬帶集成光子器件和AI均衡算法同時適用于有線和無線通信，能夠作為通用功能單元來支持有線/無線雙模式傳輸，首次在“物理層”彌合了兩大通信領(lǐng)域的鴻溝。
此外，研究團隊還模擬了6G大規(guī)模用戶接入場景，實現(xiàn)86個信道的多路實時8K視頻接入演示，傳輸帶寬相較目前5G標準提升一個數(shù)量級。得益于核心器件的超寬帶平坦頻率響應，所有信道均呈現(xiàn)出高度的性能一致性，展現(xiàn)出該系統(tǒng)優(yōu)越的多用戶支持能力。這一突破性成果為6G通信高密度開發(fā)太赫茲頻譜資源展示出一條全新的解決方案。
圖3 多通道高清視頻實時傳輸結(jié)果圖
除實現(xiàn)超大容量通信外，該系統(tǒng)在能耗、成本、規(guī)�；渴鸬绕渌P(guān)鍵特性方面也表現(xiàn)出卓越的性能，在6G基站、無線數(shù)據(jù)中心等場景中展現(xiàn)出極具潛力的應用前景。全光架構(gòu)使得該系統(tǒng)可與目前光網(wǎng)絡無縫集成，推動移動接入網(wǎng)與光纖骨干網(wǎng)的深度統(tǒng)一融合。
《自然》期刊三位審稿人均對文章給予高度評價，認為實驗“艱巨而卓越并刷新多項世界紀錄”（“heroic and record-setting”“Multiple world records have been achieved in this work），并指出“該研究對融合光學/太赫茲通信系統(tǒng)的進步作出了重要貢獻”（it makes a significant contribution to the advancement of converged optical/THz communication systems）。
該成果的所有關(guān)鍵技術(shù)和制備均基于全國產(chǎn)集成光學工藝平臺，無需傳統(tǒng)微電子先進制程工藝，助力我國在半導體芯片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)換道超車。研究團隊期待這項研究成果能成為下一代電信通信技術(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)新與突破發(fā)展，實現(xiàn)我國在信息通信領(lǐng)域從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的跨越式發(fā)展。
未來，研究團隊將繼續(xù)著力提升系統(tǒng)集成度，徹底消除分立器件，探索基于薄膜鈮酸鋰平臺的完全單片集成，最終實現(xiàn)從激光器到天線的全功能微型化收發(fā)模組。研究團隊也正在把該成果擴展到太赫茲雷達、超寬帶實時測頻、太赫茲光譜學和成像等領(lǐng)域，為相關(guān)應用提供一種緊湊且經(jīng)濟的太赫茲生成、調(diào)制和檢測方案。
北京大學深圳研究生院、鵬城實驗室與北京大學電子學院聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生張云皓，舒浩文，北京大學電子學院博士研究生郭藝君，國家信息光電子創(chuàng)新中心高級工程師周佩奇（北京大學2022屆博士畢業(yè)生），上�？萍即髮W信息科學與技術(shù)學院博士研究生王魯玉為本論文共同第一作者。王興軍、余少華、陳佰樂和舒浩文為本論文共同通訊作者。主要合作者還包括鵬城實驗室王磊研究員、賀志學研究員及許兆鵬助理研究員，國家信息光電子創(chuàng)新中心總經(jīng)理肖希，香港科技大學（廣州）童業(yè)煜助理教授及博士研究生魯凱航，北京信息科技大學秦軍副教授及碩士研究生孫瑜，北京大學電子學院博士研究生蔡健洋、姚力遠、楊林山及韓昌灝（2023屆博士畢業(yè)生），上海科技大學信息科學與技術(shù)學院博士研究生李林澤、龍?zhí)煊罴皬堉軡�。該研究得到了科技部國家重點研發(fā)計劃青年科學家項目，國家自然科學基金重點項目、重大科研儀器研制項目、青年科學基金項目（B類、C類）以及鵬城實驗室重大攻關(guān)等項目的資助。
信息來源： 北京大學電子學院
