可实现超过100GHz主频，科学家开发集成光芯片时钟技术

最近，北京大学与中国科学院空天信息创新研究院团队合作，首次开发了一种利用芯片光频梳为光本振的新型光电时钟同步系统方案，合成了频率扩展至太赫兹的任意信号，并构建了微波光子多波段通感一体验证系统。

该论文共同通讯作者、北京大学研究员常林表示：“我们的方法利用光时钟技术，可以直接产生超过 100GHz 的主频时钟信号，并实现整个系统的同步。这不仅极大地提升了系统便利性和功能扩展能力，还具备低噪声、高稳定性和低功耗的特点。”

这种集成化方案不仅大幅降低了成本和功耗，还提升了系统的性能和灵活性，有望应用于 6G 通信、空天遥感、量子计算、AI 计算等领域。该研究不仅为光与电之间的统一时频参考开辟了新途径，还为通信和感知系统的未来发展提供了新的方向。

近日，相关论文以《微梳同步光电系统》（Microcomb-synchronized optoelectronic system）为题发表在Nature Electronics[1]。

北京大学博士后、中国科学院空天信息创新研究院毕业博士生张祥鹏，以及北京大学博士生张绪光和陈玉君是共同第一作者，北京大学常林研究员团队与中国科学院空天信息创新研究院李王哲研究员课题组联合开发了相关技术。

此前，无线通信和传感通常需要使用不同的频率来实现各种功能。例如，手机的 4G、5G 甚至未来 6G 通信，以及不同平台上的不同频率的微波感知系统。

传统方法中，为了产生并处理这些不同的频率，需要为每个频率使用专门的电子芯片及外围处理链路，频率间的相参性由统一系统时钟保证。

然而， 基于传统电芯片的时钟方案存在诸多挑战，例如从低频到高频需要经过多步信号处理，这不仅消耗大量功率，还会产生较高的热量。此外，它还存在噪声较大、成本高、体积大等缺点。

在该研究中，研究人员通过光芯片技术极大地提高了系统的集成化程度。基于单一芯片，可以直接合成超大带宽内不同频率的时钟信号，用一颗芯片解决通信、感知、计算等不同系统的问题。

通过共享硬件，实现了微波通信和感知系统的融合，能够在不同电磁频段上执行多种功能，如微波成像、目标检测和高速数据传输。这种方法不仅大大提高了集成化程度，还综合了多种功能，形成了一个更高效、更紧凑的系统。

常林指出，该系统的通信调制格式可以达到很高的复杂度，不仅能够支持现有 4G、5G 通信，还可以支持未来更复杂的 6G 通信编码。而且，只需要一颗输出功率不到 20 毫瓦的激光器芯片，就能产生 100GHz 的信号，这在过去是很难实现的。

历时三年的研究中，研究团队面临大量的参数调测和精密的芯片测试，利用有限的设备、场地条件，通过克服困难以及夜以继日的反复攻关，持续投入时间和精力改善测试条件、优化测试环境，最终实现了芯片的高性能工作。

张祥鹏表示：“正是在这个过程中，我们学到了很多新方法，发现了新现象和新机制，也磨砺了我们的科研斗志。”

这项技术具有通用性，能够为涉及光与电技术的系统带来显著提升。其最直接的应用领域是无线通信和感知，包括未来的 6G、太赫兹通信，以及车载毫米波频段感知等。

此外，这项技术在量子时频等领域也具有广泛的应用前景。对于量子计算而言，高频时钟能够简化复杂设备、降低成本，并确保信息处理过程中各个部分的同步，从而为量子计算提供更高效和更经济的解决方案。

同时，该技术打破了传统主频时钟的限制，能够将时钟频率提升至少两个数量级。这意味着在单位时间内可以显著增加计算次数，从而极大提升计算效率。更长远地来看，高频时钟信号配合电芯片共同完成相关功能，有望驱动速度更快的 AI 计算，从而提升 AI 模型的训练和推理效率。

现阶段，该课题组已经成功开发出光子芯片系统的批量化加工工艺，能够在 8 英寸晶圆上直接生产成千上万个相同的时钟芯片，并且能够对外提供完全封装的器件，供用户直接使用。

与传统能够产生 100GHz 时钟信号的电子芯片相比，光芯片时钟技术直接在片上集成高频信号生成模块，采用了硅光大规模量产工艺，类似于目前光模块中所用的芯片技术。

张祥鹏表示：“光电调制器等变频链路的片上集成，将大幅节省传统方案中复杂的组装和耦合成本。随着后续量产规模的扩大，我们估计成本有望降低 10 倍以上。”

目前，该课题组在无线通信和感知领域已经开展了一系列实验，并计划进一步拓展到更多光与电相关的应用领域，例如 AI 计算等。此外，他们还将继续解决相关工程化问题，例如将芯片制成稳定的产品、优化封装工艺等。

参考资料：

1.Zhang, X., Zhang, X., Chen, Y. et al. Microcomb-synchronized optoelectronics.Nature Electronics(2025). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01349-7

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