北京大學(xué)在光芯片與無線通信融合領(lǐng)域取得重要進展

  ICC訊   近日，北京大學(xué)電子學(xué)院常林研究員團隊與宋令陽教授、邸博雅研究員團隊合作在頂級學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）在線發(fā)表了題為“Multiband wireless systems based on microwave integrated photonics with metasurfaces”的研究文章。該團隊在世界上首次提出了一種可擴展的統(tǒng)一平臺，通過將光子集成電路與電磁超表面相結(jié)合，成功實現(xiàn)了支持從2G到6G及以上不同頻段移動系統(tǒng)的并行無線通信架構(gòu)。這一突破不僅打破了多頻段硬件集成的壁壘，還為未來大規(guī)模無線系統(tǒng)的降本增效提供了基礎(chǔ)性方案。

基于集成光學(xué)與超表面的并行無線系統(tǒng)架構(gòu)

  在當(dāng)今信息時代，無線技術(shù)是移動通信和物聯(lián)網(wǎng)的絕對支柱。隨著數(shù)據(jù)容量需求的持續(xù)激增，通信系統(tǒng)從2G一路演進到新興的6G，并不斷向新的頻段擴展。然而，傳統(tǒng)架構(gòu)在多頻段融合方面面臨著諸多根本性的挑戰(zhàn)。電子元器件固有的帶寬限制使其只能在狹窄的頻譜內(nèi)工作，導(dǎo)致每一代無線系統(tǒng)都需要專屬的射頻鏈路，造成了嚴重的硬件冗余。特別是在高頻段，這種傳統(tǒng)的疊加方式會帶來難以承受的成本和極高的終端功耗。此外，傳統(tǒng)天線技術(shù)隨著頻率升高，動態(tài)元件功耗高、饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，難以支撐大規(guī)模部署，導(dǎo)致能效下降，且通常針對單一頻率設(shè)計，缺乏多頻段波束賦形能力，嚴重制約了高頻段的性能發(fā)揮。

  為攻克這些難題，研究團隊研發(fā)了一種全新的光電子集成驅(qū)動大規(guī)模超表面方案，改變了傳統(tǒng)的無線終端設(shè)計思路。該平臺利用自同步雙梳技術(shù)，無需離散的電子振蕩器，即可同時生成超過60個高達100GHz的、可靈活重構(gòu)的微波頻率?；谶@項技術(shù)，團隊提出了基于集成光學(xué)與超表面的多頻段并行發(fā)射機。為了完成信號的空間調(diào)控，團隊引入了低功耗、緊湊型的超表面來進行多頻段波束賦形。與傳統(tǒng)相控陣相比，超表面的設(shè)計更加緊湊，具有靈活的波束調(diào)控能力，且能將功耗大幅降低40%以上。該架構(gòu)打破了常規(guī)瓶頸，成功實現(xiàn)了極具挑戰(zhàn)性的1024-QAM高階通信調(diào)制傳輸，這一成果達到了光子學(xué)輔助無線鏈路領(lǐng)域的先進水平。

并行無線系統(tǒng)實驗鏈路

  更具突破性的是，該架構(gòu)極大縮短了射頻前端的信號路徑，首次實現(xiàn)了利用數(shù)據(jù)中心的標準硅基光電子收發(fā)器直接驅(qū)動無線邊緣設(shè)備，將數(shù)據(jù)中心處理與無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了無縫、高能效和低延遲的連接。在實驗驗證環(huán)節(jié)，系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了全固態(tài)毫米波頻段的點云雷達成像，也成功傳輸了高清視頻幀，展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能與多功能一體化能力。

  未來，這項高度集成的技術(shù)將為全頻段無線通信系統(tǒng)的發(fā)展提供變革性的基石。它不僅有望大幅縮小基站體積，推動毫米波、太赫茲頻段從研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，還能顯著降低傳輸延遲，為自動駕駛和衛(wèi)星通信等對延遲極度敏感的終端場景提供強有力的支撐。

  該論文的共同第一作者為北京大學(xué)電子學(xué)院博士研究生陳玉君、高佳皓和電子學(xué)院博士后張緒光。常林、邸博雅和宋令陽為共同通訊作者。主要合作者還包括香港城市大學(xué)王騁教授，北京交通大學(xué)李錚教授，香港城市大學(xué)博士畢業(yè)生張珂、博士研究生陳逸堃、商成斐，北京大學(xué)電子學(xué)院博士后張祥鵬、張磊，博士研究生周子璇、張笑語，上?？萍即髮W(xué)博士研究生高佳璠。該工作由北京大學(xué)電子學(xué)院光子傳輸與通信重點實驗室作為第一單位完成。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、北京杰出青年科學(xué)家計劃、北京市自然科學(xué)基金、上海2025“科技創(chuàng)新行動計劃”、 石家莊-北京大學(xué)合作聯(lián)合研究項目、何享健科學(xué)基金等的大力支持。

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