2 月 23 日消息，據(jù)北京大學(xué)電子學(xué)院，2 月 18 日，研究論文《集成光子學(xué)賦能超寬帶光纖-無(wú)線通信》（“Integrated photonics enabling ultra-wideband fibre–wireless communication”）在線發(fā)表于國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）。

北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍教授-舒浩文研究員團(tuán)隊(duì)與鵬城實(shí)驗(yàn)室余少華院士團(tuán)隊(duì)、上海科技大學(xué)陳佰樂副教授團(tuán)隊(duì)、國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心肖?？偨?jīng)理團(tuán)隊(duì)等合作，在下一代無(wú)線通信（6G）及光通信領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，在國(guó)際上首次提出了集成“光纖-無(wú)線融合通信”概念，率先實(shí)現(xiàn)了光纖和無(wú)線通信系統(tǒng)間的跨網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫融合。通過(guò)自研的超寬帶光電融合集成芯片和 AI 賦能的先進(jìn)均衡算法，該項(xiàng)研究所研發(fā)的系統(tǒng)在電信通訊的所有主要場(chǎng)景中（包括光纖、無(wú)線及其混合鏈路）均能支持創(chuàng)世界紀(jì)錄的數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)現(xiàn)“一套系統(tǒng)、跨場(chǎng)景復(fù)用”。

研究團(tuán)隊(duì)采用集成光學(xué)方案，實(shí)現(xiàn)了 250GHz 以上超大帶寬的光電 / 電光轉(zhuǎn)換器件，薄膜鈮酸鋰調(diào)制器（TFLNMZM）和磷化銦探測(cè)器（InP UTC-PD）帶寬均創(chuàng)紀(jì)錄?；谏鲜銎骷芯繄F(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了光纖-無(wú)線一體化融合系統(tǒng)演示，光纖通信實(shí)現(xiàn)破紀(jì)錄的單通道 256Gbaud（512Gbps）信號(hào)傳輸，太赫茲無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)破紀(jì)錄的單通道 400Gbps 信號(hào)傳輸，并完成了 86 路 8K 高清實(shí)時(shí)視頻的無(wú)線傳輸演示。這一里程碑式的突破有望重塑電信通訊系統(tǒng)架構(gòu)，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)全光互聯(lián)的愿景奠定研究基礎(chǔ)，推動(dòng)我國(guó)在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)跨越式發(fā)展。

近年來(lái)，隨著 AI 技術(shù)的快速發(fā)展，更高密度、更高性能算力成為未來(lái)人工智能領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)中的關(guān)鍵一環(huán)。如何實(shí)現(xiàn)算力芯片間及大規(guī)模數(shù)據(jù)中心內(nèi)更高速的互聯(lián)成為制約算力資源發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。與此同時(shí)，星地通訊、智能網(wǎng)聯(lián)汽車等日益增長(zhǎng)的泛在接入需求對(duì)以太赫茲（THz）通信為代表的下一代移動(dòng)通信技術(shù)提出了更高容量和更低時(shí)延的挑戰(zhàn)。此外，面向未來(lái)“萬(wàn)物互聯(lián)”時(shí)代，一個(gè)電信通訊網(wǎng)絡(luò)中的長(zhǎng)期痛點(diǎn)也愈發(fā)突出：光纖通信與無(wú)線通信在信號(hào)架構(gòu)與硬件約束上存在帶寬鴻溝，阻礙了統(tǒng)一的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致兩者難以在同一套基礎(chǔ)設(shè)施上實(shí)現(xiàn)高速且兼容的端到端傳輸。

▲ 集成光子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的全光超寬帶電信互聯(lián)系統(tǒng)概念圖

針對(duì)上述問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了集成“光纖-無(wú)線融合通信”概念，并在硬件器件和軟件算法兩方面均實(shí)現(xiàn)顛覆性突破。研究團(tuán)隊(duì)基于先進(jìn)的薄膜鈮酸鋰光子材料平臺(tái)和改進(jìn)型單行載流子光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)超過(guò) 250GHz 的寬帶平坦電-光-電轉(zhuǎn)換鏈路，從原理上規(guī)避了傳統(tǒng)電學(xué)倍頻鏈中的帶寬限制和噪聲積累，在有線和無(wú)線頻段均能提供＞100GHz 的可用信號(hào)帶寬，滿足未來(lái)超高速有線和無(wú)線通信需要。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)還將 AI 技術(shù)應(yīng)用于信道均衡中，提出了一種新型的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字信號(hào)處理算法，顯著提升了系統(tǒng)對(duì)非線性損傷等干擾的適應(yīng)能力，徹底克服了以往傳統(tǒng)均衡算法難以處理復(fù)雜信道的根本挑戰(zhàn)。

▲ 超寬帶電光-光電轉(zhuǎn)換集成光子芯片關(guān)鍵性能表征

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)可支持單通道光纖通信大于 512Gbps 的超高速直調(diào)直檢速率和大于 400Gbps 的光載太赫茲通信速率，達(dá)到世界領(lǐng)先水平，在全光通信領(lǐng)域樹立了新的標(biāo)桿。值得注意的是，研究團(tuán)隊(duì)提出的超寬帶集成光子器件和 AI 均衡算法同時(shí)適用于有線和無(wú)線通信，能夠作為通用功能單元來(lái)支持有線 / 無(wú)線雙模式傳輸，首次在“物理層”彌合了兩大通信領(lǐng)域的鴻溝。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還模擬了 6G 大規(guī)模用戶接入場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn) 86 個(gè)信道的多路實(shí)時(shí) 8K 視頻接入演示，傳輸帶寬相較目前 5G 標(biāo)準(zhǔn)提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。得益于核心器件的超寬帶平坦頻率響應(yīng)，所有信道均呈現(xiàn)出高度的性能一致性，展現(xiàn)出該系統(tǒng)優(yōu)越的多用戶支持能力。這一突破性成果為 6G 通信高密度開發(fā)太赫茲頻譜資源展示出一條全新的解決方案。

▲ 多通道高清視頻實(shí)時(shí)傳輸結(jié)果圖

除實(shí)現(xiàn)超大容量通信外，該系統(tǒng)在能耗、成本、規(guī)模化部署等其他關(guān)鍵特性方面也表現(xiàn)出卓越的性能，并且在 6G 基站、無(wú)線數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)景中展現(xiàn)出極具潛力的應(yīng)用前景。全光架構(gòu)使得該系統(tǒng)可與目前光網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫集成，推動(dòng)移動(dòng)接入網(wǎng)與光纖骨干網(wǎng)的深度統(tǒng)一融合。

該項(xiàng)成果的所有關(guān)鍵技術(shù)和制備均基于全國(guó)產(chǎn)集成光學(xué)工藝平臺(tái)，無(wú)需傳統(tǒng)微電子先進(jìn)制程工藝，助力我國(guó)在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)換道超車。研究團(tuán)隊(duì)期待這項(xiàng)研究成果能成為下一代電信通信技術(shù)革命的技術(shù)引擎，帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)的協(xié)同創(chuàng)新與突破發(fā)展，實(shí)現(xiàn)我國(guó)在信息通信領(lǐng)域從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的跨越式發(fā)展。

未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)著力提升系統(tǒng)集成度，徹底消除分立器件，探索基于薄膜鈮酸鋰平臺(tái)的完全單片集成，最終實(shí)現(xiàn)從激光器到天線的全功能微型化收發(fā)模組。研究團(tuán)隊(duì)也正在把該項(xiàng)成果擴(kuò)展到太赫茲雷達(dá)、超寬帶實(shí)時(shí)測(cè)頻、太赫茲光譜學(xué)和成像等領(lǐng)域，為相關(guān)應(yīng)用提供一種緊湊且經(jīng)濟(jì)的太赫茲生成、調(diào)制和檢測(cè)方案。