想象一下，当一个体育场内同时聚集 5 万人，假设其中 70% 的人正在使用手机，那就是几万台设备同时连接到一个相对有限的网络资源上。在这样的场合，不仅人员密集，而且大家的行为高度同步，比如很多人会在同一时间发朋友圈，这些行为会占用大量的网络带宽，让“拥堵”雪上加霜。6G 技术则有希望解决这一问题，而在近日几位中国科学家更是用一款芯片为 6G 技术扫清了关键发展障碍之一。 日前，北京大学团队联合香港城市大学团队提出“通用型光电融合无线收发引擎”的新概念，研发出一款超宽带光电融合集成芯片，这款芯片仅有指甲盖大小，其能实现110GH 覆盖范围以上的自适应可重构高速无线通信，单通道实时速率达到 120Gbps，这意味着一秒以内可以同时加载 1000 部 8K 超高清电影，让网络速率迎来了质的飞跃，解决了带宽、噪声性能与可重构性三者之间无法兼顾的难题，为面向 6G 通信开发太赫兹清除了关键障碍，甚至有望助力开发更高频段的频谱资源。北京大学官方新闻稿指出：“这一突破有望重塑无线通信格局，成为无线通信产业生态的技术引擎，推动我国在该领域实现从跟跑、并跑到领跑的跨越式发展。” 在上述“通用型光电融合无线收发引擎”概念的支持之下，以及基于薄膜铌酸锂光子材料平台，研究人员研制出了这款芯片。该芯片具备系统级的高度集成能力，在11 mm × 1.7 mm 的较为微小的功能区域之内，就能针对多个完整无线信号处理功能进行集成，这些功能包括宽带无线-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。 进一步地，研究人员基于这款芯片提出一种高性能光学微环谐振器的集成光电振荡器（OEO，optoelectronic oscillator）架构，在超宽带范围内的任意频点上，这款架构可以通过高精度微环的频率来精确地选择振荡模式，从而能够产生低噪声载波与本振信号。相比传统方案，OEO 架构首次实现了 0.5GHz-115GHz 中心频率的快速、灵活、实时的重构能力。OEO 架构所拥有的跨越将近 8 个倍频程的低噪声信号调谐性能，是目前其他任何平台或技术方案都无法达到的高度。OEO 架构还能规避传统倍频链由于噪声积累而导致的高频段相位噪声恶化的问题，故能克服此前同类系统在带宽、噪声性能与可重构性之间难以兼顾的难题。如前所述，本次成果可以实现大于 120Gbps 的超高速无线传输速率，能够满足 6G 通信的峰值速率要求。依托光电融合集成芯片的超带宽特性，让端到端无线通信链路在全频段内具备性能一致性，而且高频段性能也不会出现劣化。 凭借光电融合集成的可调谐特性，本次成果还能支持工作频率的实时重构。当系统由于一些被动影响导致劣化时，比如遇到信道受到噪声干扰或遇到多径效应时，系统依然能够动态地切换到安全频段，从而能够确保通信的可靠性。以本文开头提到的几万人聚集的体育场为例，目前体育场中的传统无线设备一般使用相同且固定的频率，这会带来用户手机之间的相互干扰，进而让上网体验变得极差。而本次成果好比搭建了一条“宽阔的高速公路”，其能让周围基站和手机在不同频段之间进行切换从而进行通信。这样一来，每一部手机都能找到自己的“专属通道”，从而能够选择通畅的频段进行通信。 2025 年政府工作报告首次明确提出“培育 6G 等未来产业”，这标志着6G 正式成为国家战略布局的重要组成部分。很多人可能会觉得 5G 速度已经很快了，为什么要急于发展 6G？事实上，本文开头的“体育馆万人上网之痛”正是 5G 不足的体现之一。6G 之于 5G，不仅仅是命名中数字的的升级，6G 也意味着沙漠、海洋甚至是天宫空间站也将拥有极速 Wi-Fi，更意味着前者将能实现通信频段的大规模扩展，并能全面激活毫米波、太赫兹等高频频谱资源，从而能够带来高速的数据传输能力，以及接近零延迟的通信体验，进而能够用于自动驾驶、虚拟现实和远程精准手术等领域。 诚然，5G 带来的传输速度已经十分之快，但是它的通信方式依旧好比是“在多条固定不变的车道上行驶”，那么自然就无法根据“实时路况”来“灵活变道”。而要想让传统电子芯片兼容全部频段，只能在不同频段配备对应的专用芯片。这既会增加设备复杂度和部署成本，同时在高频频段下也会面临信号噪声大和衰减严重等问题，进而严重影响传输质量。本次论文的共同通讯作者王兴军长期从事硅基光电子集成芯片与信息系统工作，此前曾在NatureNature Photonics等期刊发表过多篇论文，并在北大工作已有 16 年之久。为了扫清发展 6G 的障碍，他和团队以光电融合为切入点开展了本次研究。光，具有极高的频率和极宽带宽等优势。而所谓光电融合指的是，将电信号先转换成光信号，在光域完成高效处理之后，再转换回电信号进行传输。这样一来，就能建成一条极宽的“高速公路”。当再次面临体育馆中几万台手机同时使用的情况时，就可以让每部手机自主、实时地选择最通畅的“车道”。 据了解，本次成果第一次为真正意义上的“AI 原生网络”奠定了硬件基础，既可以利用内置算法来动态地调整通信参数，也可以应对复杂的电磁环境。与此同时，本次成果也是“通信-感知”一体化系统的理想载体，能让基站和车载设备在传输数据的同时，精准地感知周围环境，从而实现真正的“通信即感知”，进而能够推动宽频带天线、光电集成模块的升级，实现从材料、器件到整机、再到网络的全链条变革。 也就是说，本次成果是一个能够进行全频段重构的解决方案，预计它不仅可以催生更加智能、更加灵活的 AI 无线网络，还有望重塑无线通信的格局。而通过加载线性调频信号，还能一并实现实时数据传输与环境精准感知。此外，预计这一成果还将带来一定的产业链带动效应，助力宽频带可重构天线等器件的发展。 日前，对于本次成果的相关论文发表于Nature。北京大学博士后陶子涵、北京大学博士生王皓玉、香港城市大学助理教授冯寒珂、北京大学博士生郭艺君以及博士后沈碧涛是共同一作，北京大学王兴军教授、香港城市王骋教授以及北京大学舒浩文研究员担任共同通讯作者。北京大学助理研究员孙丹、香港城市大学博士后陶源盛、北京大学何燕冬研究员等为论文作出了贡献。其中，北大团队主导了本次芯片的设计、测试和系统集成，香港城市大学团队负责芯片流片。 据了解，论文共同一作陶子涵获得了首批国家自然科学基金青年学生基础研究项目资助，项目名称为“面向 6G 全频谱接入的集成微波光子射频前端芯片研究”，这一项目支撑了本次成果的开展。值得注意的是，陶子涵的师兄便是陶源盛。陶子涵在一篇报道中回忆称[1]，当他刚接触微波光子这一方向时，组里只有陶源盛在做这个方向，后者当时已经进入了忙碌的博士五年级。陶源盛深知与其自己闷着头搞，不如多请教有经验的人，但是他认为要有情商地向别人请教。于是，他尽量先把要请教的问题整理好，在去食堂的路上、或者在午饭和晚饭时向陶源盛请教，目的就是为了尽量不给陶源盛带来额外的负担。以至于有段时间陶子涵甚至觉得午饭时间和晚饭时间是自己进步最大的时候。正是这份努力以及其他合作者的共同支持，促成了本次成果的面世。 另据悉，中国在 6G 方面的研发水平整体处于前列，6G 专利申请数量也位于全球领先地位。而在接下来，王兴军团队将和产业界开展合作，努力解决天线等配套部件的宽带化难题，助力构建自主化的 6G 产业链。具体来说，他们将推进激光器、光电探测器和天线的一体化单片集成，力争做出像 U 盘一样即插即用的智能通信模组，让其既能嵌入手机和物联网设备中，也能嵌入到移动基站和无人机之中，从而能够成为 6G 的技术引擎。
