6G時代真的要來了？

在下一代無線通信技術(shù)（6G）及光通信領(lǐng)域，一項由中國科研團(tuán)隊領(lǐng)銜完成的突破性成果近日登上國際頂級學(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)隊聯(lián)合鵬城實驗室余少華院士團(tuán)隊、上?？萍即髮W(xué)陳佰樂副教授課題組、國家信息光電子創(chuàng)新中心肖希研究員團(tuán)隊等多家單位，在國際上首次實現(xiàn)了光纖通信與無線通信在物理層面的“無縫融合”，一舉刷新三項世界紀(jì)錄，為6G時代的到來提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐。

在現(xiàn)有的通信架構(gòu)中，光纖通信和無線通信是兩大核心支柱，但它們長期沿著不同的技術(shù)路徑發(fā)展。光纖通信追求極致的傳輸帶寬和極低的信號損耗，通過光脈沖在玻璃纖維中傳輸海量數(shù)據(jù)；而無線通信則側(cè)重于頻譜的高效利用和終端的靈活接入，讓人們能夠隨時隨地連接網(wǎng)絡(luò)。然而，隨著通信速率向著6G所預(yù)期的太赫茲頻段邁進(jìn)，這兩大體系之間的物理機(jī)制差異帶來了巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的電子學(xué)方案，特別是用于產(chǎn)生高頻信號的電子倍頻鏈，在處理太赫茲波時面臨著嚴(yán)重的帶寬限制和噪聲累積問題，很難同時滿足超高速有線網(wǎng)絡(luò)與無線接入的雙重需求。簡而言之，光纖與無線之間，存在一道難以逾越的“帶寬鴻溝”。

面對這一世界級難題，北大聯(lián)合研究團(tuán)隊提出了一個極具前瞻性的核心思路：不再將光纖通信和無線通信視為兩個獨立的系統(tǒng)，而是用集成光子學(xué)作為統(tǒng)一的底層平臺，從物理層開始就實現(xiàn)二者的“無縫融合”。這一思路的核心在于，摒棄傳統(tǒng)的純電子學(xué)架構(gòu)，提出集成“光纖-無線融合通信”的全新概念，并在此基礎(chǔ)上從硬件器件和軟件算法兩個層面實現(xiàn)顛覆性突破。

研究團(tuán)隊成功研制出具有超寬帶能力的光電融合集成芯片，實現(xiàn)了超過250GHz的電-光-電轉(zhuǎn)換能力。這一數(shù)字意味著該芯片能夠處理的信號帶寬遠(yuǎn)超現(xiàn)有技術(shù)，從原理上突破了傳統(tǒng)電子架構(gòu)的帶寬限制和噪聲瓶頸。依托這顆強(qiáng)大的“中國芯”，研究團(tuán)隊在實測中一舉刷新了三項世界紀(jì)錄：光纖通信單通道速率達(dá)到512Gbps，這意味著在一根細(xì)細(xì)的光纖中，通過單一波長的光每秒就能傳輸高達(dá)512Gbit的數(shù)據(jù)，相當(dāng)于幾十部超高清電影；太赫茲無線通信單通道速率達(dá)到400Gbps，這是迄今為止公開報道的最高速率的太赫茲無線通信，讓6G所設(shè)想的超高速無線連接變得觸手可及；更重要的是，研究團(tuán)隊證明了同一套核心器件和算法能夠同時完美適用于光纖和無線兩種通信場景，這是國際上首次在物理層面上彌合了兩大通信體系之間的鴻溝。

為了應(yīng)對未來6G大規(guī)模接入場景下的復(fù)雜電磁環(huán)境，研究團(tuán)隊還引入了人工智能技術(shù)，提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字信號處理算法。該算法能夠智能地感知和補(bǔ)償信號在傳輸過程中的畸變與干擾，顯著提升系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性。在一個模擬6G大規(guī)模接入的場景中，這套系統(tǒng)成功支持了86路8K高清視頻同時穩(wěn)定傳輸，其帶寬能力相較于當(dāng)前的5G技術(shù)提升了一個數(shù)量級，直觀展示了其強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。除實現(xiàn)超大容量通信外，該系統(tǒng)在能耗、成本、規(guī)?；渴鸬确矫嬉脖憩F(xiàn)出卓越的性能，在6G基站、無線數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施場景中展現(xiàn)出極具潛力的應(yīng)用前景?！蹲匀弧菲诳娜粚徃迦司鶎@項研究給予高度評價。

尤為重要的是，這項成果的所有關(guān)鍵技術(shù)和制備過程均基于全國產(chǎn)的集成光學(xué)工藝平臺，巧妙地避開了對傳統(tǒng)微電子先進(jìn)制程的依賴，為我國在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域提供了一條“換道超車”的可能路徑，對于保障國家信息產(chǎn)業(yè)鏈的安全具有重要的戰(zhàn)略意義。研究團(tuán)隊期待這項成果能夠成為下一代電信通信技術(shù)革命的技術(shù)引擎，帶動整個產(chǎn)業(yè)生態(tài)從材料、器件到系統(tǒng)應(yīng)用的協(xié)同創(chuàng)新與突破，真正實現(xiàn)我國在信息通信領(lǐng)域從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的跨越式發(fā)展。

展望未來，研究團(tuán)隊將進(jìn)一步推動系統(tǒng)從當(dāng)前的混合集成走向更高程度的單片集成，目標(biāo)是實現(xiàn)從激光器、調(diào)制器到天線在內(nèi)的完整收發(fā)模組的微型化，打造真正的“片上通信系統(tǒng)”。同時，他們正將這項突破性的太赫茲光電融合技術(shù)拓展到更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，例如超高精度的太赫茲雷達(dá)、超快光譜測量以及高靈敏度成像等，為這些前沿科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用提供更加緊湊、高效且經(jīng)濟(jì)的解決方案，為未來信息社會的構(gòu)建奠定堅實的基礎(chǔ)。

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