我国率先实现光纤和无线通信系统无缝融合

据北京大学电子学院官方微信公众号消息，2月18日，研究论文《集成光子学赋能超宽带光纤-无线通信》（“Integrated photonics enabling ultra-wideband fibre–wireless communication”）在线发表于国际顶尖学术期刊《自然》（Nature）。该论文由北京大学电子学院王兴军教授-舒浩文研究员团队与鹏城实验室余少华院士团队、上海科技大学陈佰乐副教授团队、国家信息光电子创新中心肖希总经理团队等合作，在下一代无线通信（6G）及光通信领域取得突破性进展。

该研究在国际上首次提出了集成“光纤-无线融合通信”概念，率先实现了光纤和无线通信系统间的跨网络无缝融合。通过自研的超宽带光电融合集成芯片和AI赋能的先进均衡算法，该项研究所研发的系统在电信通讯的所有主要场景中（包括光纤、无线及其混合链路）均能支持创世界纪录的数据传输速率，实现“一套系统、跨场景复用”

研究团队采用集成光学方案，实现了250GHz以上超大带宽的光电/电光转换器件，薄膜铌酸锂调制器（TFLNMZM）和磷化铟探测器（InP UTC-PD）带宽均创纪录。基于上述器件，研究团队实现了光纤-无线一体化融合系统演示，光纤通信实现破纪录的单通道256Gbaud（512Gbps）信号传输，太赫兹无线通信实现破纪录的单通道400Gbps信号传输，并完成了86路8K高清实时视频的无线传输演示。这一里程碑式的突破有望重塑电信通讯系统架构，为未来实现全光互联的愿景奠定研究基础，推动我国在该领域实现跨越式发展。

近年来，随着AI技术的快速发展，更高密度、更高性能算力成为未来人工智能领域竞争中的关键一环。如何实现算力芯片间及大规模数据中心内更高速的互联成为制约算力资源发展的关键瓶颈。与此同时，星地通讯、智能网联汽车等日益增长的泛在接入需求对以太赫兹（THz）通信为代表的下一代移动通信技术提出了更高容量和更低时延的挑战。此外，面向未来“万物互联”时代，一个电信通讯网络中的长期痛点也愈发突出：光纤通信与无线通信在信号架构与硬件约束上存在带宽鸿沟，阻碍了统一的系统设计，导致两者难以在同一套基础设施上实现高速且兼容的端到端传输。

图1 集成光子系统驱动的全光超宽带电信互联系统概念图

针对上述问题，研究团队提出了集成“光纤-无线融合通信”概念，并在硬件器件和软件算法两方面均实现颠覆性突破。研究团队基于先进的薄膜铌酸锂光子材料平台和改进型单行载流子光电探测器结构，成功实现超过250GHz的宽带平坦电-光-电转换链路，从原理上规避了传统电学倍频链中的带宽限制和噪声积累，在有线和无线频段均能提供＞100GHz的可用信号带宽，满足未来超高速有线和无线通信需要。同时，研究团队还将AI技术应用于信道均衡中，提出了一种新型的基于神经网络的数字信号处理算法，显著提升了系统对非线性损伤等干扰的适应能力，彻底克服了以往传统均衡算法难以处理复杂信道的根本挑战。

图2 超宽带电光-光电转换集成光子芯片关键性能表征

实验验证表明，该系统可支持单通道光纤通信大于512Gbps的超高速直调直检速率和大于400Gbps的光载太赫兹通信速率，达到世界领先水平，在全光通信领域树立了新的标杆。值得注意的是，研究团队提出的超宽带集成光子器件和AI均衡算法同时适用于有线和无线通信，能够作为通用功能单元来支持有线/无线双模式传输，首次在“物理层”弥合了两大通信领域的鸿沟。此外，研究团队还模拟了6G大规模用户接入场景，实现86个信道的多路实时8K视频接入演示，传输带宽相较目前5G标准提升一个数量级。得益于核心器件的超宽带平坦频率响应，所有信道均呈现出高度的性能一致性，展现出该系统优越的多用户支持能力。这一突破性成果为6G通信高密度开发太赫兹频谱资源展示出一条全新的解决方案。

图3 多通道高清视频实时传输结果图

除实现超大容量通信外，该系统在能耗、成本、规模化部署等其他关键特性方面也表现出卓越的性能，并且在6G基站、无线数据中心等场景中展现出极具潜力的应用前景。全光架构使得该系统可与目前光网络无缝集成，推动移动接入网与光纤骨干网的深度统一融合。

该项成果的所有关键技术和制备均基于全国产集成光学工艺平台，无需传统微电子先进制程工艺，助力我国在半导体芯片领域实现换道超车。研究团队期待这项研究成果能成为下一代电信通信技术革命的技术引擎，带动整个产业生态的协同创新与突破发展，实现我国在信息通信领域从跟跑、并跑到领跑的跨越式发展。