全球首款！中國科學家實現6G全頻段通信芯片重大突破

2025-09-03 來源：電子工程專輯

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關鍵詞：光電融合集成技術自適應全頻段通信芯片 6G核心技術突破超寬帶光電融合芯片集成光電振蕩器

日前，國際頂級學術期刊《自然》（Nature）在線發表了一項來自中國的重大科研成果：北京大學王興軍教授、舒浩文研究員與香港城市大學王騁教授領銜的聯合研究團隊，成功研制出全球首款基于光電融合集成技術的自適應、全頻段、高速無線通信芯片。

這一突破性進展標志著我國在6G無線通信核心技術領域實現了從“并跑”向“領跑”的跨越式發展，為未來智能無線網絡奠定了顛覆性的硬件基礎。

打破“一個頻段一套設備”困局

當前，第五代（5G）及之前的無線通信技術受限于傳統電子學硬件架構，通常只能在特定頻段工作。不同頻段的設備依賴不同的設計規則、材料體系和結構方案，導致系統復雜、成本高昂，且難以實現跨頻段的動態調度。

6G通信預計2030年商用，太赫茲頻段（0.1-10 THz）因其海量頻譜資源被視為核心頻段，但高頻段信號衰減快、器件設計難。隨著6G時代對超高速率、超低時延、廣域覆蓋和智能化通信的迫切需求，如何實現從微波、Sub-6GHz、毫米波到亞太赫茲波段的全頻譜資源高效利用，成為全球通信領域的核心難題。

針對這一瓶頸，研究團隊創新性地提出“超寬帶光電融合無線收發引擎”架構，利用先進的薄膜鈮酸鋰（Thin-Film Lithium Niobate, TFLN）光子材料平臺，將無線通信系統中的關鍵功能——包括寬帶無線-光信號轉換、低噪聲載波/本振信號生成、數字基帶調制與解調等——高度集成于單一芯片之上。

超寬帶光電融合集成技術賦能全頻段泛在接入無線網絡示意圖

此次突破使單芯片覆蓋全頻段（含太赫茲）成為可能，可簡化6G基站與終端設計，降低組網成本。《自然》期刊審稿人評價：“該工作通過光電協同設計，突破了電子學頻段隔離與光子學帶寬受限的雙重矛盾，為6G空天地一體化網絡提供了關鍵硬件支撐。”

芯片僅指甲蓋大小，性能實現里程碑式跨越

該芯片功能區域尺寸僅為11毫米 × 1.7毫米，大小與拇指指甲相當，卻實現了從0.5 GHz至115 GHz的超寬頻率覆蓋，跨越近八個倍頻程，兼容微波、毫米波乃至亞太赫茲頻段。這一性能打破了傳統電子器件“一個頻段一套設備”的僵局，真正實現了“一芯多用”。

研究團隊制備的超寬帶光電融合芯片（圖自：北京大學）

其核心技術突破在于構建了片上集成光電振蕩器（OEO），通過高精度光學微環諧振器“鎖定”頻率，可在全頻段內實時、靈活、低噪聲地生成任意頻點的通信信號。相比傳統電子倍頻方案在高頻段因噪聲累積導致信號質量急劇劣化的難題，該技術從原理上規避了這一限制，確保了在115 GHz極高頻率下信號依然穩定清晰。

全頻段無線通信星座圖及誤碼率結果

實驗驗證表明，基于該芯片的無線通信系統可實現大于120 Gbps的超高速無線傳輸速率，完全滿足6G通信的峰值速率指標。尤為關鍵的是，端到端通信鏈路在全頻段內性能高度一致，高頻段未出現性能劣化，為太赫茲通信的實用化掃清了關鍵障礙。

智能通信：動態調頻、環境感知、AI原生網絡

該芯片不僅具備超寬帶和高速傳輸能力，更擁有卓越的“環境智能”。系統支持工作頻率的實時重構，當某一頻段受到干擾或阻塞時，可在180微秒內完成頻率切換，自動跳轉至清晰頻段建立新通信通道，顯著提升通信可靠性和頻譜利用效率。

王興軍教授形象地比喻：“這項技術就像一條超寬的高速公路，車輛（電子信號）可以在多個車道（頻段）上靈活行駛。如果一條車道擁堵，車輛能迅速變道，確保暢通無阻。”

系統協調無線頻譜管理

研究團隊指出，這一成果將為“AI原生網絡”奠定硬件基礎。未來，通過植入AI算法，系統可動態調整通信參數，實現對復雜電磁環境的自主感知與優化。同時，該架構也是通信-感知一體化的理想載體，未來基站或車載設備在傳輸數據的同時，還能精準感知周圍環境，真正實現“通信即感知”。

推動全鏈條產業變革，邁向“即插即用”智能模組

從產業角度看，這項突破將強力拉動寬頻帶可重構天線、光電集成模塊、激光器、探測器等上下游關鍵部件的技術升級，有望帶動從材料、器件到整機、網絡的全鏈條變革。

下一步，研究團隊將致力于推進激光器、光電探測器和天線的單片集成，目標是開發出像U盤一樣“即插即用”的智能通信模組，可廣泛嵌入手機、移動基站、無人機、物聯網設備等各類終端，為智慧城市、遠程醫療、擴展現實（XR）、自動駕駛等未來應用場景提供強大支撐。

北京大學電子學院2020級博士生陶子涵（現為北京大學博雅博士后）、北京大學集成電路學院2022級博士生王皓玉、香港城市大學電氣工程學院研究助理教授馮寒珂、北京大學電子學院2023級博士生郭藝君以及北京大學電子學院2019級博士生沈碧濤（現為北京大學博新、博雅博士后）為該論文共同第一作者；王興軍、王騁以、舒浩文為共同通訊作者；北京大學長三角光電科學研究院助理研究員孫丹、香港城市大學博士后陶源盛、北京大學集成電路學院何燕冬研究員等為該文作出了重要貢獻。研究工作得到科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、香港研究資助局等項目支持。