《中国科学家打造指甲盖大芯片,实现6G全频段通信突破》

  • 来源专题:光电信息技术
  • 编译者: 王靖娴
  • 发布时间:2025-08-28
  • 【内容概述】据中国科学报8月28日报道,北京大学电子学院教授王兴军团队与香港城市大学教授王骋团队通过创新光电融合架构,成功实现芯片从“频段受限”到“全频兼容”的颠覆性突破,并在所有频段都实现了50~100Gbps的无线传输,比目前5G的传输速率高出2~3个数量级。这意味着,使用者无论在偏远的农村地区还是城市中心,都能够实现高速可靠、无时不在的通信连接。这款可重构、超宽带光电融合芯片,为实现全频段无线通信与动态频谱管理提供了核心解决方案,是6G时代硬件基座能力提升的重要里程碑,为后续技术研发与产业应用提供了全新解决方案。

      团队的创新突破在于给芯片“装上光的翅膀”——以先进薄膜铌酸锂材料为平台,让电信号“变身”为光信号进行处理,借光子学的超大带宽特性突破频率限制。研究团队在仅指甲盖大小的芯片上,集成了基带调制、载波生成、上下变频等无线收发系统的全部关键功能单元,一举实现超百吉赫兹、近8个倍频程的带宽处理能力。

      芯片的核心架构是团队研发的“基于光学微环谐振器的集成光电振荡器”。这一架构能直接在任意目标频点生成高质量的电磁信号,即便在100吉赫兹以上的高频段,其噪声性能仍与传统低频段持平,从原理上彻底解决了传统倍频“噪声越积越多”的行业痛点,让全频段通信的“带宽、噪声、灵活性”三者不再相互制约。实验数据印证了突破的价值。该系统可实现超100Gbps的超高速无线传输,完全满足6G峰值速率需求。更关键的是,通信链路在全覆盖频段内展示的性能高度一致,在高频段未出现任何性能衰减。


  • 原文来源:https://kw.beijing.gov.cn/xwdt/kcyx/xwdtkjqy/202508/t20250828_4185857.html
相关报告
  • 《Nature | 全频段无线通信的超宽带集成光电融合芯片》

    • 来源专题:战略生物资源
    • 编译者:朱晓琳
    • 发布时间:2025-09-12
    • 发表机构:北京大学 作  者:王兴军,舒浩文(通讯作者)     为满足泛在接入需求,未来下一代无线通信网络将动态实时利用全频谱资源来支持多样化应用场景。为实现这种自适应全频段灵活无线通信的愿景,亟须一种通用型硬件解决方案,以兼容全频段无线信号,并满足小型化/轻量化集成和低功耗运行的需求。但现有的电气或光辅助解决方案由于器件带宽有限以及系统架构固有的刚性,在满足这一需求方面面临诸多挑战。本研究提出了“通用型光电融合无线收发引擎”的概念,基于先进的薄膜铌酸锂光子材料平台成功研制出超宽带光电融合集成芯片,实现了超过110GHz覆盖范围的自适应可重构高速无线通信。     该芯片在11mm × 1.7mm的微小功能区域内,集成了宽带无线-光信号转换、可调谐低噪声载波/本振源产生以及数字基带调制等完整无线信号处理功能,实现了系统级的高度集成。团队基于该核心芯片提出了高性能光学微环谐振器的集成光电振荡器(OEO)架构。该片上OEO系统首次实现了0.5GHz至115GHz中心频率的实时、灵活、快速重构能力。其跨越近8个倍频程的低噪声信号调谐性能,是迄今为止任何其他平台或技术方案均无法企及的里程碑式突破。该系统可实现>120Gbps 的超高速无线传输速率,满足6G通信的峰值速率要求。这种全频段重构的解决方案将催生更灵活、智能的AI无线网络,有望重塑未来无线通信格局:一方面,基于“AI原生”的理念,植入 AI 算法实现硬件参数动态自适应调整以应对复杂通信环境;另一方面,可用于通信感知一体化,加载线性调频信号同步实现数据传输与环境感知,还能带动产业链,为宽频带可重构天线等关键器件创新注入动力。 发表日期:2025-8-27
  • 《突破 | 可实现超过100GHz主频,科学家开发集成光芯片时钟技术》

    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:胡思思
    • 发布时间:2025-03-03
    • 最近,北京大学与中国科学院空天信息创新研究院团队合作,首次开发了一种利用芯片光频梳为光本振的新型光电时钟同步系统方案,合成了频率扩展至太赫兹的任意信号,并构建了微波光子多波段通感一体验证系统。 该论文共同通讯作者、北京大学研究员常林表示:“我们的方法利用光时钟技术,可以直接产生超过 100GHz 的主频时钟信号,并实现整个系统的同步。这不仅极大地提升了系统便利性和功能扩展能力,还具备低噪声、高稳定性和低功耗的特点。” 这种集成化方案不仅大幅降低了成本和功耗,还提升了系统的性能和灵活性,有望应用于 6G 通信、空天遥感、量子计算、AI 计算等领域。该研究不仅为光与电之间的统一时频参考开辟了新途径,还为通信和感知系统的未来发展提供了新的方向。 此前,无线通信和传感通常需要使用不同的频率来实现各种功能。例如,手机的 4G、5G 甚至未来 6G 通信,以及不同平台上的不同频率的微波感知系统。 传统方法中,为了产生并处理这些不同的频率,需要为每个频率使用专门的电子芯片及外围处理链路,频率间的相参性由统一系统时钟保证。 然而, 基于传统电芯片的时钟方案存在诸多挑战,例如从低频到高频需要经过多步信号处理,这不仅消耗大量功率,还会产生较高的热量。此外,它还存在噪声较大、成本高、体积大等缺点。 在该研究中,研究人员通过光芯片技术极大地提高了系统的集成化程度。基于单一芯片,可以直接合成超大带宽内不同频率的时钟信号,用一颗芯片解决通信、感知、计算等不同系统的问题。 通过共享硬件,实现了微波通信和感知系统的融合,能够在不同电磁频段上执行多种功能,如微波成像、目标检测和高速数据传输。这种方法不仅大大提高了集成化程度,还综合了多种功能,形成了一个更高效、更紧凑的系统。 图丨光电系统的时频策略 常林指出,该系统的通信调制格式可以达到很高的复杂度,不仅能够支持现有 4G、5G 通信,还可以支持未来更复杂的 6G 通信编码。而且,只需要一颗输出功率不到 20 毫瓦的激光器芯片,就能产生 100GHz 的信号,这在过去是很难实现的。 历时三年的研究中,研究团队面临大量的参数调测和精密的芯片测试,利用有限的设备、场地条件,通过克服困难以及夜以继日的反复攻关,持续投入时间和精力改善测试条件、优化测试环境,最终实现了芯片的高性能工作。 这项技术具有通用性,能够为涉及光与电技术的系统带来显著提升。其最直接的应用领域是无线通信和感知,包括未来的 6G、太赫兹通信,以及车载毫米波频段感知等。 此外,这项技术在量子时频等领域也具有广泛的应用前景。对于量子计算而言,高频时钟能够简化复杂设备、降低成本,并确保信息处理过程中各个部分的同步,从而为量子计算提供更高效和更经济的解决方案。 同时,该技术打破了传统主频时钟的限制,能够将时钟频率提升至少两个数量级。这意味着在单位时间内可以显著增加计算次数,从而极大提升计算效率。更长远地来看,高频时钟信号配合电芯片共同完成相关功能,有望驱动速度更快的 AI 计算,从而提升 AI 模型的训练和推理效率。 现阶段,该课题组已经成功开发出光子芯片系统的批量化加工工艺,能够在 8 英寸晶圆上直接生产成千上万个相同的时钟芯片,并且能够对外提供完全封装的器件,供用户直接使用。 图丨基于微梳子的振荡器和频率合成器 与传统能够产生 100GHz 时钟信号的电子芯片相比,光芯片时钟技术直接在片上集成高频信号生成模块,采用了硅光大规模量产工艺,类似于目前光模块中所用的芯片技术。 张祥鹏表示:“光电调制器等变频链路的片上集成,将大幅节省传统方案中复杂的组装和耦合成本。随着后续量产规模的扩大,我们估计成本有望降低 10 倍以上。” 目前,该课题组在无线通信和感知领域已经开展了一系列实验,并计划进一步拓展到更多光与电相关的应用领域,例如 AI 计算等。此外,他们还将继续解决相关工程化问题,例如将芯片制成稳定的产品、优化封装工艺等。