北京大學在光芯片與無線通信融合領域取得重要進展

  ICC訊   近日，北京大學電子學院常林研究員團隊與宋令陽教授、邸博雅研究員團隊合作在頂級學術期刊《自然·光子學》（Nature Photonics）在線發(fā)表了題為“Multiband wireless systems based on microwave integrated photonics with metasurfaces”的研究文章。該團隊在世界上首次提出了一種可擴展的統(tǒng)一平臺，通過將光子集成電路與電磁超表面相結合，成功實現(xiàn)了支持從2G到6G及以上不同頻段移動系統(tǒng)的并行無線通信架構。這一突破不僅打破了多頻段硬件集成的壁壘，還為未來大規(guī)模無線系統(tǒng)的降本增效提供了基礎性方案。

基于集成光學與超表面的并行無線系統(tǒng)架構

  在當今信息時代，無線技術是移動通信和物聯(lián)網(wǎng)的絕對支柱。隨著數(shù)據(jù)容量需求的持續(xù)激增，通信系統(tǒng)從2G一路演進到新興的6G，并不斷向新的頻段擴展。然而，傳統(tǒng)架構在多頻段融合方面面臨著諸多根本性的挑戰(zhàn)。電子元器件固有的帶寬限制使其只能在狹窄的頻譜內工作，導致每一代無線系統(tǒng)都需要專屬的射頻鏈路，造成了嚴重的硬件冗余。特別是在高頻段，這種傳統(tǒng)的疊加方式會帶來難以承受的成本和極高的終端功耗。此外，傳統(tǒng)天線技術隨著頻率升高，動態(tài)元件功耗高、饋電網(wǎng)絡復雜，難以支撐大規(guī)模部署，導致能效下降，且通常針對單一頻率設計，缺乏多頻段波束賦形能力，嚴重制約了高頻段的性能發(fā)揮。

  為攻克這些難題，研究團隊研發(fā)了一種全新的光電子集成驅動大規(guī)模超表面方案，改變了傳統(tǒng)的無線終端設計思路。該平臺利用自同步雙梳技術，無需離散的電子振蕩器，即可同時生成超過60個高達100GHz的、可靈活重構的微波頻率?；谶@項技術，團隊提出了基于集成光學與超表面的多頻段并行發(fā)射機。為了完成信號的空間調控，團隊引入了低功耗、緊湊型的超表面來進行多頻段波束賦形。與傳統(tǒng)相控陣相比，超表面的設計更加緊湊，具有靈活的波束調控能力，且能將功耗大幅降低40%以上。該架構打破了常規(guī)瓶頸，成功實現(xiàn)了極具挑戰(zhàn)性的1024-QAM高階通信調制傳輸，這一成果達到了光子學輔助無線鏈路領域的先進水平。

并行無線系統(tǒng)實驗鏈路

  更具突破性的是，該架構極大縮短了射頻前端的信號路徑，首次實現(xiàn)了利用數(shù)據(jù)中心的標準硅基光電子收發(fā)器直接驅動無線邊緣設備，將數(shù)據(jù)中心處理與無線網(wǎng)絡實現(xiàn)了無縫、高能效和低延遲的連接。在實驗驗證環(huán)節(jié)，系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了全固態(tài)毫米波頻段的點云雷達成像，也成功傳輸了高清視頻幀，展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能與多功能一體化能力。

  未來，這項高度集成的技術將為全頻段無線通信系統(tǒng)的發(fā)展提供變革性的基石。它不僅有望大幅縮小基站體積，推動毫米波、太赫茲頻段從研究走向實際應用，還能顯著降低傳輸延遲，為自動駕駛和衛(wèi)星通信等對延遲極度敏感的終端場景提供強有力的支撐。

  該論文的共同第一作者為北京大學電子學院博士研究生陳玉君、高佳皓和電子學院博士后張緒光。常林、邸博雅和宋令陽為共同通訊作者。主要合作者還包括香港城市大學王騁教授，北京交通大學李錚教授，香港城市大學博士畢業(yè)生張珂、博士研究生陳逸堃、商成斐，北京大學電子學院博士后張祥鵬、張磊，博士研究生周子璇、張笑語，上?？萍即髮W博士研究生高佳璠。該工作由北京大學電子學院光子傳輸與通信重點實驗室作為第一單位完成。該研究得到了國家自然科學基金、北京杰出青年科學家計劃、北京市自然科學基金、上海2025“科技創(chuàng)新行動計劃”、 石家莊-北京大學合作聯(lián)合研究項目、何享健科學基金等的大力支持。

  相關鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-026-01863-w