想象一下，當一個體育場內(nèi)同時聚集 5 萬人，假設(shè)其中 70% 的人正在使用手機，那就是幾萬臺設(shè)備同時連接到一個相對有限的網(wǎng)絡(luò)資源上。在這樣的場合，不僅人員密集，而且大家的行為高度同步，比如很多人會在同一時間發(fā)朋友圈，這些行為會占用大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬，讓“擁堵”雪上加霜。6G 技術(shù)則有希望解決這一問題，而在近日幾位中國科學家更是用一款芯片為 6G 技術(shù)掃清了關(guān)鍵發(fā)展障礙之一。
日前，北京大學團隊聯(lián)合香港城市大學團隊提出“通用型光電融合無線收發(fā)引擎”的新概念，研發(fā)出一款超寬帶光電融合集成芯片，這款芯片僅有指甲蓋大小，其能實現(xiàn)110GH 覆蓋范圍以上的自適應(yīng)可重構(gòu)高速無線通信，單通道實時速率達到 120Gbps，這意味著一秒以內(nèi)可以同時加載 1000 部 8K 超高清電影，讓網(wǎng)絡(luò)速率迎來了質(zhì)的飛躍，解決了帶寬、噪聲性能與可重構(gòu)性三者之間無法兼顧的難題，為面向 6G 通信開發(fā)太赫茲清除了關(guān)鍵障礙，甚至有望助力開發(fā)更高頻段的頻譜資源。北京大學官方新聞稿指出：“這一突破有望重塑無線通信格局，成為無線通信產(chǎn)業(yè)生態(tài)的技術(shù)引擎，推動我國在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的跨越式發(fā)展。”
（來源：Nature）
在上述“通用型光電融合無線收發(fā)引擎”概念的支持之下，以及基于薄膜鈮酸鋰光子材料平臺，研究人員研制出了這款芯片。該芯片具備系統(tǒng)級的高度集成能力，在11 mm × 1.7 mm 的較為微小的功能區(qū)域之內(nèi)，就能針對多個完整無線信號處理功能進行集成，這些功能包括寬帶無線-光信號轉(zhuǎn)換、可調(diào)諧低噪聲載波、本振源產(chǎn)生以及數(shù)字基帶調(diào)制等。
進一步地，研究人員基于這款芯片提出一種高性能光學微環(huán)諧振器的集成光電振蕩器（OEO，optoelectronic oscillator）架構(gòu)，在超寬帶范圍內(nèi)的任意頻點上，這款架構(gòu)可以通過高精度微環(huán)的頻率來精確地選擇振蕩模式，從而能夠產(chǎn)生低噪聲載波與本振信號。相比傳統(tǒng)方案，OEO 架構(gòu)首次實現(xiàn)了 0.5GHz-115GHz 中心頻率的快速、靈活、實時的重構(gòu)能力。OEO 架構(gòu)所擁有的跨越將近 8 個倍頻程的低噪聲信號調(diào)諧性能，是目前其他任何平臺或技術(shù)方案都無法達到的高度。OEO 架構(gòu)還能規(guī)避傳統(tǒng)倍頻鏈由于噪聲積累而導(dǎo)致的高頻段相位噪聲惡化的問題，故能克服此前同類系統(tǒng)在帶寬、噪聲性能與可重構(gòu)性之間難以兼顧的難題。如前所述，本次成果可以實現(xiàn)大于 120Gbps 的超高速無線傳輸速率，能夠滿足 6G 通信的峰值速率要求。依托光電融合集成芯片的超帶寬特性，讓端到端無線通信鏈路在全頻段內(nèi)具備性能一致性，而且高頻段性能也不會出現(xiàn)劣化。
憑借光電融合集成的可調(diào)諧特性，本次成果還能支持工作頻率的實時重構(gòu)。當系統(tǒng)由于一些被動影響導(dǎo)致劣化時，比如遇到信道受到噪聲干擾或遇到多徑效應(yīng)時，系統(tǒng)依然能夠動態(tài)地切換到安全頻段，從而能夠確保通信的可靠性。以本文開頭提到的幾萬人聚集的體育場為例，目前體育場中的傳統(tǒng)無線設(shè)備一般使用相同且固定的頻率，這會帶來用戶手機之間的相互干擾，進而讓上網(wǎng)體驗變得極差。而本次成果好比搭建了一條“寬闊的高速公路”，其能讓周圍基站和手機在不同頻段之間進行切換從而進行通信。這樣一來，每一部手機都能找到自己的“專屬通道”，從而能夠選擇通暢的頻段進行通信。
（來源：Nature）
2025 年政府工作報告首次明確提出“培育 6G 等未來產(chǎn)業(yè)”，這標志著6G 正式成為國家戰(zhàn)略布局的重要組成部分。很多人可能會覺得 5G 速度已經(jīng)很快了，為什么要急于發(fā)展 6G？事實上，本文開頭的“體育館萬人上網(wǎng)之痛”正是 5G 不足的體現(xiàn)之一。6G 之于 5G，不僅僅是命名中數(shù)字的的升級，6G 也意味著沙漠、海洋甚至是天宮空間站也將擁有極速 Wi-Fi，更意味著前者將能實現(xiàn)通信頻段的大規(guī)模擴展，并能全面激活毫米波、太赫茲等高頻頻譜資源，從而能夠帶來高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，以及接近零延遲的通信體驗，進而能夠用于自動駕駛、虛擬現(xiàn)實和遠程精準手術(shù)等領(lǐng)域。
誠然，5G 帶來的傳輸速度已經(jīng)十分之快，但是它的通信方式依舊好比是“在多條固定不變的車道上行駛”，那么自然就無法根據(jù)“實時路況”來“靈活變道”。而要想讓傳統(tǒng)電子芯片兼容全部頻段，只能在不同頻段配備對應(yīng)的專用芯片。這既會增加設(shè)備復(fù)雜度和部署成本，同時在高頻頻段下也會面臨信號噪聲大和衰減嚴重等問題，進而嚴重影響傳輸質(zhì)量。本次論文的共同通訊作者王興軍長期從事硅基光電子集成芯片與信息系統(tǒng)工作，此前曾在NatureNature Photonics等期刊發(fā)表過多篇論文，并在北大工作已有 16 年之久。為了掃清發(fā)展 6G 的障礙，他和團隊以光電融合為切入點開展了本次研究。光，具有極高的頻率和極寬帶寬等優(yōu)勢。而所謂光電融合指的是，將電信號先轉(zhuǎn)換成光信號，在光域完成高效處理之后，再轉(zhuǎn)換回電信號進行傳輸。這樣一來，就能建成一條極寬的“高速公路”。當再次面臨體育館中幾萬臺手機同時使用的情況時，就可以讓每部手機自主、實時地選擇最通暢的“車道”。
據(jù)了解，本次成果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)，既可以利用內(nèi)置算法來動態(tài)地調(diào)整通信參數(shù)，也可以應(yīng)對復(fù)雜的電磁環(huán)境。與此同時，本次成果也是“通信-感知”一體化系統(tǒng)的理想載體，能讓基站和車載設(shè)備在傳輸數(shù)據(jù)的同時，精準地感知周圍環(huán)境，從而實現(xiàn)真正的“通信即感知”，進而能夠推動寬頻帶天線、光電集成模塊的升級，實現(xiàn)從材料、器件到整機、再到網(wǎng)絡(luò)的全鏈條變革。
也就是說，本次成果是一個能夠進行全頻段重構(gòu)的解決方案，預(yù)計它不僅可以催生更加智能、更加靈活的 AI 無線網(wǎng)絡(luò)，還有望重塑無線通信的格局。而通過加載線性調(diào)頻信號，還能一并實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸與環(huán)境精準感知。此外，預(yù)計這一成果還將帶來一定的產(chǎn)業(yè)鏈帶動效應(yīng)，助力寬頻帶可重構(gòu)天線等器件的發(fā)展。
（來源：Nature）
日前，關(guān)于本次成果的相關(guān)論文發(fā)表于Nature。北京大學博士后陶子涵、北京大學博士生王皓玉、香港城市大學助理教授馮寒珂、北京大學博士生郭藝君以及博士后沈碧濤是共同一作，北京大學王興軍教授、香港城市王騁教授以及北京大學舒浩文研究員擔任共同通訊作者。北京大學助理研究員孫丹、香港城市大學博士后陶源盛、北京大學何燕冬研究員等為論文作出了貢獻。其中，北大團隊主導(dǎo)了本次芯片的設(shè)計、測試和系統(tǒng)集成，香港城市大學團隊負責芯片流片。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature）
據(jù)了解，論文共同一作陶子涵獲得了首批國家自然科學基金青年學生基礎(chǔ)研究項目資助，項目名稱為“面向 6G 全頻譜接入的集成微波光子射頻前端芯片研究”，這一項目支撐了本次成果的開展。值得注意的是，陶子涵的師兄便是陶源盛。陶子涵在一篇報道中回憶稱[1]，當他剛接觸微波光子這一方向時，組里只有陶源盛在做這個方向，后者當時已經(jīng)進入了忙碌的博士五年級。陶源盛深知與其自己悶著頭搞，不如多請教有經(jīng)驗的人，但是他認為要有情商地向別人請教。于是，他盡量先把要請教的問題整理好，在去食堂的路上、或者在午飯和晚飯時向陶源盛請教，目的就是為了盡量不給陶源盛帶來額外的負擔。以至于有段時間陶子涵甚至覺得午飯時間和晚飯時間是自己進步最大的時候。正是這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。
（來源：北京大學電子學院高層培訓(xùn)中心）
另據(jù)悉，中國在 6G 方面的研發(fā)水平整體處于前列，6G 專利申請數(shù)量也位于全球領(lǐng)先地位。而在接下來，王興軍團隊將和產(chǎn)業(yè)界開展合作，努力解決天線等配套部件的寬帶化難題，助力構(gòu)建自主化的 6G 產(chǎn)業(yè)鏈。具體來說，他們將推進激光器、光電探測器和天線的一體化單片集成，力爭做出像 U 盤一樣即插即用的智能通信模組，讓其既能嵌入手機和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，也能嵌入到移動基站和無人機之中，從而能夠成為 6G 的技術(shù)引擎。
參考資料：
1.PKU 電子學人相關(guān)報道 https://mp.weixin.qq.com/s/XwAaujTXWSewUjfWfo74bQ
相關(guān)論文Tao, Z., Wang, H., Feng, H. et al. Ultrabroadband on-chip photonics for full-spectrum wireless communications. Nature 645, 80–87 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09451-8
北京大學官方報道https://mp.weixin.qq.com/s/bqc5wlbBqUZTBEGSZx6S0w
北京大學電子學院高層培訓(xùn)中心相關(guān)報道https://mp.weixin.qq.com/s/6TCVWDyNV_GPSh4nEoz2aQ
北京大學圖書館相關(guān)報道https://mp.weixin.qq.com/s/oieRrCTLQCid7KtJoRuGLw
其他報道https://m.yunnan.cn/system/2025/08/28/033611961.shtml
其他報道https://baijiahao.baidu.com/s?id=1841694505503983148&wfr=spider&for=pc
王興軍個人主頁http://pcis.pku.edu.cn/info/1014/1011.htm
