在下一代無線通信(6G)時代，無論在密集城市樓群還是偏遠山區(qū)，都需要數(shù)據(jù)的高速傳輸和快速接入，但傳統(tǒng)基于純電技術(shù)的無線設(shè)備帶寬受限、頻段單一，難以動態(tài)調(diào)度頻譜資源。
北京大學(xué)王興軍教授—舒浩文研究員和香港城市大學(xué)王騁教授聯(lián)合團隊27日晚于《自然》在線發(fā)表科研成果——他們在國際上研制出首款基于光電融合集成技術(shù)的自適應(yīng)全頻段高速無線通信芯片，為6G通信技術(shù)實用化奠定了顛覆性的硬件基礎(chǔ)。
一片僅有指甲蓋大小的芯片，竟能游刃有余地調(diào)度從微波、Sub 6 GHz到毫米波甚至太赫茲的全頻段資源，以超過120 Gbps的極速傳輸數(shù)據(jù)，徹底打破了傳統(tǒng)電子器件“一個頻段一套設(shè)備”的僵局。
“當前我們正步入一個萬物互聯(lián)的時代，未來6G網(wǎng)絡(luò)不僅要支撐虛擬現(xiàn)實、智慧工廠等對帶寬和時延極其敏感的應(yīng)用，還要在密集偏遠山區(qū)、深?？仗斓葟?fù)雜環(huán)境中實現(xiàn)廣域覆蓋。”王興軍介紹，不同頻段各有優(yōu)劣：高頻段數(shù)據(jù)資源豐富、速率極高，卻難以遠距傳輸;低頻段穿透性強、覆蓋廣，卻容量有限。傳統(tǒng)基于純電子技術(shù)的無線設(shè)備受限于材料和結(jié)構(gòu)，往往只能“守”在一個頻段工作，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備冗贅、難以動態(tài)調(diào)度頻譜資源。真正實現(xiàn)“全頻段自適應(yīng)利用”，始終是橫亙于產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界面前的核心難題。
研究團隊巧妙地選擇了光電融合這條路。他們利用先進的薄膜鈮酸鋰光子材料，提出“超寬帶光電融合無線收發(fā)引擎”這一全新架構(gòu)。該芯片最關(guān)鍵的突破在于實現(xiàn)了頻率可廣泛、快速、精準重構(gòu)的片上集成光電振蕩器(OEO)。
“該系統(tǒng)借助高精度光學(xué)微環(huán)‘鎖定’頻率，能在0.5 GHz至115 GHz近乎八個倍頻程的超寬范圍內(nèi)，快速、精準、低噪聲地生成任意頻點的通信信號，是迄今為止任何其他平臺或技術(shù)方案無法企及的里程碑式突破。它從原理上規(guī)避了高頻段噪聲累積的業(yè)界經(jīng)典難題，使得在115 GHz這樣的極高頻率下，信號質(zhì)量仍然穩(wěn)定如初。這意味著，只需單一芯片，即可替代以往多套不同頻段無線設(shè)備的功能，真正實現(xiàn)‘一芯多用’、動態(tài)調(diào)頻，在尺寸、功耗與性能之間取得前所未有的平衡。”舒浩文說。
在實際測試中，該系統(tǒng)表現(xiàn)出了驚人的性能一致性：全頻段內(nèi)通信質(zhì)量平滑穩(wěn)定，高端頻段未有衰減，大于120 Gbps的傳輸速率已完全達到6G通信的峰值指標要求。“這也代表著，太赫茲通信走向?qū)嵱迷偬黻P(guān)鍵砝碼。不僅如此，該芯片還展現(xiàn)出強大的‘環(huán)境智能’：當某一頻段受到干擾或阻塞，系統(tǒng)可實時、自動跳頻至清晰頻段，像一位經(jīng)驗豐富的‘老司機’在擁堵頻譜中靈活變道，始終保持通信暢通無阻。”王騁表示。
“這項技術(shù)的意義遠超高速傳輸本身。這種全頻段重構(gòu)的解決方案將催生更靈活、智能的AI無線網(wǎng)絡(luò)，有望重塑未來無線通信格局。”王興軍透露，它第一次為真正意義上的“AI原生網(wǎng)絡(luò)”奠定了硬件基礎(chǔ)——可通過內(nèi)置算法動態(tài)調(diào)整通信參數(shù)，應(yīng)對復(fù)雜電磁環(huán)境;也是通信—感知一體化系統(tǒng)的理想載體，使得未來基站和車載設(shè)備在傳輸數(shù)據(jù)的同時，能精準感知周圍環(huán)境，真正實現(xiàn)“通信即感知”。而從產(chǎn)業(yè)角度看，這項突破將強力拉動寬頻帶天線、光電集成模塊等關(guān)鍵部件升級，帶來從材料、器件到整機、網(wǎng)絡(luò)的全鏈條變革。
下一步，團隊將推進激光器、光電探測器和天線的一體化單片集成，目標是做出像U盤一樣“即插即用”的智能通信模組，可嵌入從手機、移動基站到無人機、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的任何終端中。“我們期待，這項研究能成為下一代無線通信技術(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)新與跨越式發(fā)展。”王興軍說。
來源：光明日報全媒體記者晉浩天 圖片：題圖由AI生成
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