集成光子賦能6G通信與AI光互聯取得新突破

近日，北京大學電子學院教授王興軍團隊聯合鵬城實驗室余少華院士團隊、上海科技大學陳佰樂副教授課題組、國家信息光電子創新中心肖希研究員團隊等，在國際上首次提出了集成“光纖-無線融合通信”概念，率先實現了光纖與無線通信系統間的跨網絡無縫融合，在光纖通信和無線通信均實現了大于400Gbps的信號傳輸。這意味著，從移動手機到AI數據中心，使用者無論采用有線還是無線通信方式，都能基于該系統實現實時、高速、可靠的通信互聯。2月19日，相關研究論文發表于《自然》。

研究團隊提出的集成光子驅動的全光超寬帶電信互聯系統。北京大學供圖

“這一顛覆性的系統架構，如同一把‘萬能鑰匙’，真正實現了業界夢寐以求的‘一套系統，跨場景復用’，有望徹底重塑未來電信網絡架構，為構建全光互聯的智能世界鋪平道路，帶動整個產業生態的協同創新與突破發展。”論文通訊作者王興軍告訴《中國科學報》。

直面“萬物互聯”終極難題實現全光互聯

在北京大學電子學院的實驗室內，一場可能徹底重塑全球通信網絡格局的技術革命正在此孕育成熟。兩塊指甲蓋大小的芯片正展現著未來全光互聯的關鍵突破——從支撐AI算力增長的光纖通信，到能實現零延遲體驗的太赫茲無線通信，通過調整收發模塊，系統就能靈活地在這兩種模式之間切換，從“物理層”彌合了兩大通信領域的鴻溝，徹底打破了傳統硬件“功能固化”的技術局限。

王興軍表示，這一突破的背后，是AI技術和6G通信快速發展面臨的緊迫挑戰。隨著AI技術的快速發展，更高密度、更高性能的算力成為未來人工智能領域競爭中的關鍵一環。如何實現算力芯片間及大規模數據中心內更高速的互聯成為制約算力資源發展的重要瓶頸。與此同時，星地通訊、智能網聯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（6G）也提出了更高容量和更低時延的挑戰。

更關鍵的是，光纖通信與無線通信在信號架構與硬件上存在天然的“帶寬鴻溝”，如同兩條設計標準迥異的“軌道”，使得它們難以在同一套基礎設施上高效融合，導致網絡效率低下、成本高企且部署復雜，嚴重阻礙了構建統一、靈活、低成本未來網絡的步伐。

“要解決系統級的融合問題，必須從硬件和軟件層面實現底層創新，打造能夠同時支持高速光纖通信和高速無線通信的通用高性能平臺，這是實現全光互聯的核心。”王興軍強調。

以“光”為橋，鑄就“融合”基石

“團隊的創新突破在于為通信系統打造了一顆強大的“融合之心”——以光作為系統傳輸媒介，讓電信號“變身”為光信號進行處理，借助光子學的超大帶寬特性突破頻率限制。”論文共同通訊作者、北京大學電子學院研究員舒浩文介紹說。

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構，在僅指甲蓋大小的芯片上，一舉實現超250吉赫茲的寬帶平坦電-光-電轉換鏈路。

團隊研制的超寬帶光電融合集成芯片從原理上規避了傳統電學倍頻鏈路中必然存在的帶寬限制和噪聲積累問題，在有線和無線頻段均能提供超過100吉赫茲的平坦、可用信號帶寬。“這如同構建了一條從光域到無線域暢通無阻的‘超級高速公路’，為未來超高速有線和無線通信提供了前所未有的硬件基石”。舒浩文表示。

僅有強大的硬件“軀干”還不足以保證在復雜現實環境中的穩定馳騁。信號在長距離、多場景的傳輸中會遭遇各種非線性損傷與干擾，傳統算法對此往往束手無策。

為此，研究團隊引入人工智能的“大腦”，開創性地提出并應用了一種基于神經網絡的數字信號處理算法。這款AI賦能的先進均衡算法具備強大的學習與適應能力，能夠智能地識別、建模并補償信道中的各種復雜損傷，從根本上攻克了傳統方法在復雜信道面前性能急劇下降的固有挑戰。“這相當于為高速通信系統配備了一位時刻在線的‘AI導航員’，確保其在任何‘路況’下都能選擇最優路徑，穩定可靠地抵達終點。”舒浩文解釋道。

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，相當于用一套設備打通了所有通信系統的“任督二脈”。

一套系統，全維優勢

據介紹，基于自研的超寬帶芯片與AI算法，研究團隊成功搭建了全球首個“光纖-無線一體化融合系統”演示平臺，實現了一系列震撼成果，在全光通信領域樹立了“新標桿”。

在光纖通信場景下，研究團隊實現了單通道256Gbaud的破世界紀錄短距光互聯速率；在無線通信領域，研究團隊實現了單通道400Gbps 的破世界紀錄太赫茲通信速率。研究團隊還模擬了未來6G高密度接入場景，成功完成了86路8K超高清視頻的實時無線傳輸演示，傳輸帶寬較當前5G標準提升了一個數量級。所有信道性能均一穩定，展現了系統無與倫比的多用戶并發支持能力。

論文第一作者、北京大學與鵬城實驗室聯培博士生張云皓表示，“這不僅僅是兩項通信技術的簡單疊加，而是一場從底層硬件、智能算法到系統架構的全面范式革命。它標志著移動接入網與光纖骨干網真正的開始走向深度統一融合。”

“這項突破的意義遠不止于創造速率紀錄，其在能耗、成本、規模化部署等其他關鍵特性方面也表現出卓越的性能，在6G基站、無線數據中心等場景中展現出極具潛力的應用前景。”王興軍強調，“我們研發的所有關鍵技術和制備工藝均基于全國產集成光學工藝平臺，無需傳統微電子先進制程工藝，能夠助力我國在半導體芯片領域實現換道超車。”

展望未來，王興軍表示，團隊將繼續著力提升系統集成度，探索實現完全單芯片集成的全功能微型化收發模組，為太赫茲雷達等應用提供一種前所未有的、緊湊且經濟的太赫茲信號生成、調制與檢測一體化方案。希望能將通信領域的突破，輻射至感知、測量、成像等眾多產業，最終賦能一個真正智能、全光互聯的未來世界。

相關論文信息：

http://doi.org/10.1038/s41586-026-10172-9.