研究團隊制備的超寬帶光電融合芯片。北京大學供圖
北京大學電子學院教授王興軍團隊與香港城市大學教授王騁團隊通過創新光電融合架構，成功實現芯片從“頻段受限”到“全頻兼容”的顛覆性突破，并在所有頻段都實現了50~100Gbps的無線傳輸，比目前5G的傳輸速率高出2~3個數量級。這意味著，使用者無論在偏遠的農村地區還是城市中心，都能夠實現高速可靠、無時不在的通信連接。8月27日，相關研究論文發表于《自然》。
“這款可重構、超寬帶光電融合芯片，為實現全頻段無線通信與動態頻譜管理提供了核心解決方案，是6G時代硬件基座能力提升的重要里程碑，為后續技術研發與產業應用提供了全新解決方案。”論文通訊作者王興軍告訴《中國科學報》。
應對6G“萬物互聯”頻率擴展挑戰
在北京大學電子學院的實驗室內，一塊指甲蓋大小的芯片正展現著6G全頻段通信的關鍵突破——從支撐基礎覆蓋的微波低頻段，到能實現零延遲體驗的太赫茲高頻段，通過調整外部控制信號，就能靈活處理跨越近8個倍頻程的電磁信號。即便在100吉赫茲以上的高頻區域，其信號噪聲性能仍與傳統低頻段持平，徹底打破了傳統硬件“頻段固化”的技術局限。
王興軍表示，這一突破的背后，是6G通信發展面臨的緊迫挑戰。隨著“萬物互聯”需求呈爆炸式增長，未來網絡需要讓不同頻段各展所長——毫米波和太赫茲等高頻率波段可提供極大帶寬和超低延遲，適用于高速傳輸；微波等低頻段則擅長廣域覆蓋和穿透，是基礎網絡的重要支撐。
“傳統通信設備就像‘定制化工具’，每一個頻段都要配套設計專用的元器件與系統。”王興軍解釋道，“這種模式下，寬頻譜覆蓋的實現難度極大。”多系統獨立運行不僅推高成本、增加復雜度，還無法實現頻段間的動態調度和自適應重構，且不同網絡節點間的設備差異性較大，嚴重制約6G低成本、全面部署。
更關鍵的是，傳統倍頻技術會“累積噪聲”，高頻段信號質量隨頻率升高而急劇下降，這讓6G全頻段擴展陷入“復雜度高、成本高、性能差”的困境，嚴重制約實際應用。同時，高密度的無線接入意味著無線電磁環境將越發復雜，進一步帶來頻譜管理難度加大、無線連接可靠性降低等現實難題。
“必須從硬件底層創新，打造能夠覆蓋從微波到太赫茲的全頻段、可靈活重構的通用平臺，這是實現6G泛在接入的核心。”王興軍強調。
以“光”為橋，打通頻譜壁壘
團隊的創新突破在于給芯片“裝上光的翅膀”——以先進薄膜鈮酸鋰材料為平臺，讓電信號“變身”為光信號進行處理，借光子學的超大帶寬特性突破頻率限制。
“光的天然優勢就是帶寬大，能輕松覆蓋從微波到太赫茲的廣闊頻譜。”論文共同通訊作者王騁介紹。研究團隊在僅指甲蓋大小的芯片上，集成了基帶調制、載波生成、上下變頻等無線收發系統的全部關鍵功能單元，一舉實現超百吉赫茲、近8個倍頻程的帶寬處理能力，相當于用一套設備打通了所有頻段的“任督二脈”。
芯片的核心架構是團隊研發的“基于光學微環諧振器的集成光電振蕩器”。這一架構能直接在任意目標頻點生成高質量的電磁信號，即便在100吉赫茲以上的高頻段，其噪聲性能仍與傳統低頻段持平，從原理上徹底解決了傳統倍頻“噪聲越積越多”的行業痛點，讓全頻段通信的“帶寬、噪聲、靈活性”三者不再相互制約。
實驗數據印證了突破的價值。該系統可實現超100Gbps的超高速無線傳輸，完全滿足6G峰值速率需求。更關鍵的是，通信鏈路在全覆蓋頻段內展示的性能高度一致，在高頻段未出現任何性能衰減。
更靈活智能的無線網絡
在未來高密度無線接入場景中，開放的無線電磁環境復雜度將顯著提升。各類信號傳輸過程中極易相互干擾，導致傳統無線傳輸通道發生“交通擁堵”。典型場景包括演唱會、體育賽事等萬人聚集場合，此時大量無線設備同時接入相同頻段，信號間的相互干擾會直接造成網絡癱瘓，無法保障正常通信需求。
“我們研發的技術可依據實時環境狀態，智能引導終端設備切換至不同頻段開展通信——這相當于為無線傳輸構建了一條‘寬闊的高速公路’，通過多頻段兼容，讓每臺設備都能高效找到‘專屬車道’，并且可以智能切換到空閑車道，從根本上避免傳輸阻塞。”論文共同通訊作者、北京大學電子學院研究員舒浩文表示，“全頻譜接入與動態頻譜管理，是6G及未來無線通信領域的核心研究方向。我們的硬件系統從底層架構層面實現了這一關鍵機制，使無線資源分配更具智能化與高效性，即便在極端復雜的通信環境下，也能為用戶提供流暢、穩定的高速低時延連接服務。”
當前，業界已形成共識，人工智能（AI）將成為6G網絡不可或缺的核心組成部分。但無論AI算法具備何種先進性能，其決策的落地執行最終仍需依托可重構的硬件架構。
研究團隊研發的光電融合芯片構成可重構的硬件，通過靈活調整內部光路配置，可以實時響應AI算法輸出的智能決策。例如，當AI識別出部分頻段存在干擾時，芯片能快速、無縫地切換至空閑頻段，實現自動抗干擾與持續優化通信鏈路，始終維持穩定、可靠的高速低時延連接狀態。
論文第一作者、北京大學電子學院博雅博士后陶子涵表示，“若無線網絡中的每個節點均具備此類實時響應能力，整個網絡的靈活性與智能化水平將大幅提升。再結合AI算法的全局優化能力，未來無線網絡在靈活性與應用自由度方面的潛力將得到前所未有的釋放。”
研究團隊認為，這一技術特性正是6G時代“原生AI”理念的核心體現——智能不僅存在于算法層面，更深度融入每一個硬件單元之中，形成算法與硬件協同聯動的智能化體系。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09451-8
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