全球首款！中国科学家实现6G全频段通信芯片重大突破

2025-09-03 来源：电子工程专辑

关键词：光电融合集成技术自适应全频段通信芯片 6G核心技术突破超宽带光电融合芯片集成光电振荡器

日前，国际顶级学术期刊《自然》（Nature）在线发表了一项来自中国的重大科研成果：北京大学王兴军教授、舒浩文研究员与香港城市大学王骋教授领衔的联合研究团队，成功研制出全球首款基于光电融合集成技术的自适应、全频段、高速无线通信芯片。

这一突破性进展标志着我国在6G无线通信核心技术领域实现了从“并跑”向“领跑”的跨越式发展，为未来智能无线网络奠定了颠覆性的硬件基础。

打破“一个频段一套设备”困局

当前，第五代（5G）及之前的无线通信技术受限于传统电子学硬件架构，通常只能在特定频段工作。不同频段的设备依赖不同的设计规则、材料体系和结构方案，导致系统复杂、成本高昂，且难以实现跨频段的动态调度。

6G通信预计2030年商用，太赫兹频段（0.1-10 THz）因其海量频谱资源被视为核心频段，但高频段信号衰减快、器件设计难。随着6G时代对超高速率、超低时延、广域覆盖和智能化通信的迫切需求，如何实现从微波、Sub-6GHz、毫米波到亚太赫兹波段的全频谱资源高效利用，成为全球通信领域的核心难题。

针对这一瓶颈，研究团队创新性地提出“超宽带光电融合无线收发引擎”架构，利用先进的薄膜铌酸锂（Thin-Film Lithium Niobate, TFLN）光子材料平台，将无线通信系统中的关键功能——包括宽带无线-光信号转换、低噪声载波/本振信号生成、数字基带调制与解调等——高度集成于单一芯片之上。

超宽带光电融合集成技术赋能全频段泛在接入无线网络示意图

此次突破使单芯片覆盖全频段（含太赫兹）成为可能，可简化6G基站与终端设计，降低组网成本。《自然》期刊审稿人评价：“该工作通过光电协同设计，突破了电子学频段隔离与光子学带宽受限的双重矛盾，为6G空天地一体化网络提供了关键硬件支撑。”

芯片仅指甲盖大小，性能实现里程碑式跨越

该芯片功能区域尺寸仅为11毫米 × 1.7毫米，大小与拇指指甲相当，却实现了从0.5 GHz至115 GHz的超宽频率覆盖，跨越近八个倍频程，兼容微波、毫米波乃至亚太赫兹频段。这一性能打破了传统电子器件“一个频段一套设备”的僵局，真正实现了“一芯多用”。

研究团队制备的超宽带光电融合芯片（图自：北京大学）

其核心技术突破在于构建了片上集成光电振荡器（OEO），通过高精度光学微环谐振器“锁定”频率，可在全频段内实时、灵活、低噪声地生成任意频点的通信信号。相比传统电子倍频方案在高频段因噪声累积导致信号质量急剧劣化的难题，该技术从原理上规避了这一限制，确保了在115 GHz极高频率下信号依然稳定清晰。

全频段无线通信星座图及误码率结果

实验验证表明，基于该芯片的无线通信系统可实现大于120 Gbps的超高速无线传输速率，完全满足6G通信的峰值速率指标。尤为关键的是，端到端通信链路在全频段内性能高度一致，高频段未出现性能劣化，为太赫兹通信的实用化扫清了关键障碍。

智能通信：动态调频、环境感知、AI原生网络

该芯片不仅具备超宽带和高速传输能力，更拥有卓越的“环境智能”。系统支持工作频率的实时重构，当某一频段受到干扰或阻塞时，可在180微秒内完成频率切换，自动跳转至清晰频段建立新通信通道，显著提升通信可靠性和频谱利用效率。

王兴军教授形象地比喻：“这项技术就像一条超宽的高速公路，车辆（电子信号）可以在多个车道（频段）上灵活行驶。如果一条车道拥堵，车辆能迅速变道，确保畅通无阻。”

系统协调无线频谱管理

研究团队指出，这一成果将为“AI原生网络”奠定硬件基础。未来，通过植入AI算法，系统可动态调整通信参数，实现对复杂电磁环境的自主感知与优化。同时，该架构也是通信-感知一体化的理想载体，未来基站或车载设备在传输数据的同时，还能精准感知周围环境，真正实现“通信即感知”。

推动全链条产业变革，迈向“即插即用”智能模组

从产业角度看，这项突破将强力拉动宽频带可重构天线、光电集成模块、激光器、探测器等上下游关键部件的技术升级，有望带动从材料、器件到整机、网络的全链条变革。

下一步，研究团队将致力于推进激光器、光电探测器和天线的单片集成，目标是开发出像U盘一样“即插即用”的智能通信模组，可广泛嵌入手机、移动基站、无人机、物联网设备等各类终端，为智慧城市、远程医疗、扩展现实（XR）、自动驾驶等未来应用场景提供强大支撑。

北京大学电子学院2020级博士生陶子涵（现为北京大学博雅博士后）、北京大学集成电路学院2022级博士生王皓玉、香港城市大学电气工程学院研究助理教授冯寒珂、北京大学电子学院2023级博士生郭艺君以及北京大学电子学院2019级博士生沈碧涛（现为北京大学博新、博雅博士后）为该论文共同第一作者；王兴军、王骋以、舒浩文为共同通讯作者；北京大学长三角光电科学研究院助理研究员孙丹、香港城市大学博士后陶源盛、北京大学集成电路学院何燕冬研究员等为该文作出了重要贡献。研究工作得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、香港研究资助局等项目支持。