6G時(shí)代真的要來(lái)了？

在下一代無(wú)線通信技術(shù)（6G）及光通信領(lǐng)域，一項(xiàng)由中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜完成的突破性成果近日登上國(guó)際頂級(jí)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(duì)聯(lián)合鵬城實(shí)驗(yàn)室余少華院士團(tuán)隊(duì)、上?？萍即髮W(xué)陳佰樂(lè)副教授課題組、國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心肖希研究員團(tuán)隊(duì)等多家單位，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了光纖通信與無(wú)線通信在物理層面的“無(wú)縫融合”，一舉刷新三項(xiàng)世界紀(jì)錄，為6G時(shí)代的到來(lái)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(wú)線通信是兩大核心支柱，但它們長(zhǎng)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(hào)損耗，通過(guò)光脈沖在玻璃纖維中傳輸海量數(shù)據(jù)；而無(wú)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(shí)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(lái)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(hào)的電子倍頻鏈，在處理太赫茲波時(shí)面臨著嚴(yán)重的帶寬限制和噪聲累積問(wèn)題，很難同時(shí)滿足超高速有線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線接入的雙重需求。簡(jiǎn)而言之，光纖與無(wú)線之間，存在一道難以逾越的“帶寬鴻溝”。

面對(duì)這一世界級(jí)難題，北大聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)極具前瞻性的核心思路：不再將光纖通信和無(wú)線通信視為兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，而是用集成光子學(xué)作為統(tǒng)一的底層平臺(tái)，從物理層開(kāi)始就實(shí)現(xiàn)二者的“無(wú)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(wú)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(gè)層面實(shí)現(xiàn)顛覆性突破。

研究團(tuán)隊(duì)成功研制出具有超寬帶能力的光電融合集成芯片，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)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(hào)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(guó)芯”，研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)測(cè)中一舉刷新了三項(xiàng)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(guò)單一波長(zhǎng)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(wú)線通信單通道速率達(dá)到400Gbps，這是迄今為止公開(kāi)報(bào)道的最高速率的太赫茲無(wú)線通信，讓6G所設(shè)想的超高速無(wú)線連接變得觸手可及；更重要的是，研究團(tuán)隊(duì)證明了同一套核心器件和算法能夠同時(shí)完美適用于光纖和無(wú)線兩種通信場(chǎng)景，這是國(guó)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(duì)未來(lái)6G大規(guī)模接入場(chǎng)景下的復(fù)雜電磁環(huán)境，研究團(tuán)隊(duì)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(hào)處理算法。該算法能夠智能地感知和補(bǔ)償信號(hào)在傳輸過(guò)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(gè)模擬6G大規(guī)模接入的場(chǎng)景中，這套系統(tǒng)成功支持了86路8K高清視頻同時(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)，直觀展示了其強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。除實(shí)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(wú)線數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施場(chǎng)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?duì)這項(xiàng)研究給予高度評(píng)價(jià)。

尤為重要的是，這項(xiàng)成果的所有關(guān)鍵技術(shù)和制備過(guò)程均基于全國(guó)產(chǎn)的集成光學(xué)工藝平臺(tái)，巧妙地避開(kāi)了對(duì)傳統(tǒng)微電子先進(jìn)制程的依賴，為我國(guó)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(duì)于保障國(guó)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(duì)期待這項(xiàng)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(dòng)整個(gè)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(shí)現(xiàn)我國(guó)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(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步推動(dòng)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(shí)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(shí)，他們正將這項(xiàng)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(cè)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(lái)信息社會(huì)的構(gòu)建奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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