演唱會(huì)現(xiàn)場，幾萬名觀眾同時(shí)點(diǎn)亮手機(jī)，卻遭遇網(wǎng)絡(luò)卡頓、消息發(fā)送遲緩的窘境——這仍是當(dāng)前5G技術(shù)難以徹底破解的現(xiàn)實(shí)痛點(diǎn)。而在不遠(yuǎn)的未來，這樣的場景或?qū)⒊蔀闅v史。
北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍教授團(tuán)隊(duì)與香港城市大學(xué)王騁教授團(tuán)隊(duì)合作研制出國際首個(gè)超寬帶光電融合集成芯片。這款僅有指甲蓋大小的芯片，能實(shí)現(xiàn)從近乎零頻至110GHz全頻段的自適應(yīng)無線通信，單通道實(shí)時(shí)速率突破120Gbps。該成果近日發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。
這些數(shù)據(jù)不僅意味著網(wǎng)絡(luò)速率迎來質(zhì)的飛躍，更標(biāo)志著通信技術(shù)邁向“更智能、更靈活”的關(guān)鍵一步。
王興軍團(tuán)隊(duì)
近日，記者走進(jìn)王興軍團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)室，探尋這枚被譽(yù)為未來通信“超強(qiáng)大腦”的芯片其技術(shù)奧秘和團(tuán)隊(duì)的攻關(guān)故事。
從“擠單行道”到“走高速路”：一枚芯片如何顛覆傳統(tǒng)通信？
在6G通信的構(gòu)想中，核心需求是實(shí)現(xiàn)通信頻段的大規(guī)模擴(kuò)展——毫米波、太赫茲等高頻頻譜資源將被全面激活。這些高頻段不僅能提供極速的數(shù)據(jù)傳輸能力，還可實(shí)現(xiàn)近乎零延遲的通信體驗(yàn)，成為支撐自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程精準(zhǔn)手術(shù)、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)等前沿應(yīng)用場景的關(guān)鍵。
如今的5G網(wǎng)絡(luò)，雖然傳輸速度已顯著提升，但其通信方式仍像是“在多條固定不變的車道上行駛”。以家用WiFi為例，其通常只能在2.4GHz或5GHz等特定頻段運(yùn)行，就像車輛被限制行駛在某一條“限速車道”內(nèi)，無法根據(jù)實(shí)時(shí)路況靈活變道、選擇最優(yōu)路徑。
為了讓傳統(tǒng)電子芯片做到“兼容”全部頻段，只能在不同頻段配備對(duì)應(yīng)專用芯片，這不僅增加了設(shè)備的復(fù)雜度和成本，在高頻頻段下還面臨信號(hào)噪聲大、衰減嚴(yán)重等問題，導(dǎo)致傳輸質(zhì)量難以保證，更別提實(shí)現(xiàn)覆蓋6G必需的高頻毫米波乃至太赫茲波段的功能。
面對(duì)這一技術(shù)挑戰(zhàn)，王興軍團(tuán)隊(duì)并未遵循傳統(tǒng)技術(shù)路徑，而是獨(dú)辟蹊徑地選擇了“光電融合”這一創(chuàng)新方向。
“我們把電信號(hào)先轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，在光域完成高效處理，再轉(zhuǎn)換回電信號(hào)進(jìn)行傳輸。”王興軍解釋道。選擇光作為載體，就是因?yàn)楣饩哂袠O高頻率和極寬帶寬的天然優(yōu)勢(shì)。“就像建成一條超級(jí)寬闊的高速公路，”王興軍比喻，“每個(gè)終端設(shè)備可以自主、實(shí)時(shí)地選擇最通暢的車道，徹底告別擁堵和干擾。”
團(tuán)隊(duì)基于薄膜鈮酸鋰這一性能優(yōu)越的光子材料，研發(fā)出一枚集成度極高的光電芯片。其在僅有11mm×1.7mm的面積內(nèi)，濃縮了信號(hào)轉(zhuǎn)換、載波生成、調(diào)制解調(diào)等全部功能。最令人矚目的是，芯片實(shí)現(xiàn)了從低頻至110GHz以上頻率范圍內(nèi)的“全頻段平坦響應(yīng)”——這意味著無論在哪個(gè)頻段工作，都能得到優(yōu)質(zhì)的信號(hào)質(zhì)量。
團(tuán)隊(duì)成員交流討論
“就像給通信系統(tǒng)裝上一個(gè)‘靈活的大腦’，”王興軍這樣形容，“它不僅‘寬’——能覆蓋極寬的頻率范圍，而且‘活’——能根據(jù)環(huán)境實(shí)時(shí)、智能地選擇最佳通信頻段。”
對(duì)普通用戶而言，日常網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)將迎來前所未有的躍升。高清電影、大型游戲等大文件傳輸近乎“秒速完成”。對(duì)單通道實(shí)時(shí)速率突破120Gbps這個(gè)概念，團(tuán)隊(duì)成員、電子學(xué)院舒浩文研究員打了個(gè)比方：“這意味著一秒鐘之內(nèi)，可以同時(shí)加載1000部8K超高清電影。”
這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景極為廣闊。在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，由于通信設(shè)備能夠自動(dòng)、無縫切換至最優(yōu)頻段，將極大提升網(wǎng)絡(luò)容量與連接可靠性。未來，無論是在數(shù)萬人密集連接的體育場館、演唱會(huì)現(xiàn)場，還是在對(duì)延遲極其敏感的遠(yuǎn)程手術(shù)、自動(dòng)駕駛、擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)（XR）等前沿場景中，都有望憑借這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)真正流暢、穩(wěn)定、高效的連接體驗(yàn)。
一個(gè)更快、更智能、具備全頻段泛在接入能力的真正6G時(shí)代，正加速從愿景走向現(xiàn)實(shí)。
“放慢腳步”，全力沖刺
成果的背后，凝聚著文章第一作者、北大博雅博士后陶子涵從博士階段起長達(dá)五載的探索與積累。2023年以來，他先后在《光子學(xué)研究》（Photonics Research）、《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications）等期刊上發(fā)表多項(xiàng)前期研究成果，與團(tuán)隊(duì)成員一道，攻克了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題，為后續(xù)研究順利推進(jìn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
然而，僅有理念與技術(shù)上的突破還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。“最大的挑戰(zhàn)其實(shí)不只是技術(shù)實(shí)現(xiàn)，更在于如何系統(tǒng)驗(yàn)證這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際價(jià)值，”舒浩文坦言，“對(duì)工科研究而言，我們既要提出新穎原理，更要實(shí)打?qū)嵶C明它能為6G發(fā)展帶來真正的變革。”
去年夏季，北京遭遇持續(xù)高溫，而實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的科研熱情，卻比窗外酷暑更熾烈。為了全面驗(yàn)證芯片性能，團(tuán)隊(duì)決定對(duì)從低頻到高頻的上百個(gè)頻點(diǎn)逐一測(cè)試、記錄和分析。
在那段攻堅(jiān)的日子里，實(shí)驗(yàn)室?guī)缀跻挂篃艋鹜�。陶子涵、王皓玉、郭藝君、沈碧濤等團(tuán)隊(duì)成員輪流值守，不斷調(diào)試設(shè)備、捕捉信號(hào)、解讀數(shù)據(jù)。高溫加劇了儀器發(fā)熱與噪聲干擾，許多實(shí)驗(yàn)條件比平日更加嚴(yán)峻，但他們以驚人的毅力堅(jiān)持了下來。
“其實(shí)在核心器件制備完成后，我們已經(jīng)具備了發(fā)表論文的基本條件，”舒浩文回憶，“當(dāng)時(shí)我們也了解到，國際上已有團(tuán)隊(duì)在從事類似方向的探索。但在王老師的鼓勵(lì)和團(tuán)隊(duì)的共識(shí)下，大家決定不趕時(shí)間、不搶進(jìn)度，沉下心來，把全部驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)做完整、做扎實(shí)。”
這種對(duì)科研品質(zhì)的極致追求，支撐他們完成了整整兩個(gè)月的系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，沒有因競爭壓力而倉促投稿。
團(tuán)隊(duì)成員在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試系統(tǒng)鏈路
支撐他們敢于一搏的，還有團(tuán)隊(duì)多學(xué)科融合的雄厚實(shí)力。成員學(xué)科背景涵蓋光電子、集成電路、通信算法、物理學(xué)等領(lǐng)域——陶子涵側(cè)重光架構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、王皓玉負(fù)責(zé)電路實(shí)現(xiàn)、郭藝君提供通信算法支持、沈碧濤擅長物理機(jī)制分析、舒浩文統(tǒng)籌總體框架并協(xié)調(diào)項(xiàng)目推進(jìn)……大家各展所長、緊密協(xié)作，形成了高效攻關(guān)的合力。
此外，王興軍團(tuán)隊(duì)還與香港城市大學(xué)團(tuán)隊(duì)積極開展協(xié)作。其中，北大團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)芯片設(shè)計(jì)、測(cè)試與系統(tǒng)集成工作，香港城市大學(xué)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)流片任務(wù)。兩地團(tuán)隊(duì)以高度默契推動(dòng)項(xiàng)目高效落地。
如今已是博士后的陶子涵，在博士階段本可將這項(xiàng)成果納入博士論文發(fā)表。但他選擇先發(fā)表其他階段性成果，將主要精力集中在繼續(xù)打磨這項(xiàng)核心技術(shù)上。
“王老師常說‘做科研要耐得住寂寞’，與其追求數(shù)量、多發(fā)幾篇論文，不如沉下心做出一個(gè)經(jīng)得起檢驗(yàn)、有長遠(yuǎn)價(jià)值的成果，” 陶子涵笑言，“現(xiàn)在看來，當(dāng)初這個(gè)決定是對(duì)的。”
正是在諸多關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上的一次次主動(dòng)“放慢腳步”，才使得研究成果數(shù)據(jù)更加扎實(shí)、論證更具說服力，更為成果落地打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
接下來，團(tuán)隊(duì)將著手推進(jìn)與產(chǎn)業(yè)界的合作，致力于攻克天線等配套部件的寬帶化難題，推動(dòng)技術(shù)走向規(guī)�；瘧�(yīng)用，為構(gòu)建自主的6G產(chǎn)業(yè)鏈貢獻(xiàn)力量。
一枚芯片，一路風(fēng)景
在王興軍的團(tuán)隊(duì)中，科研從來不是“單打獨(dú)斗”，而是一次高度依賴協(xié)作、貫穿多學(xué)科的集體征程。
團(tuán)隊(duì)始終保持著開放且活躍的交流氛圍。組會(huì)討論常常從傍晚六點(diǎn)持續(xù)到九點(diǎn)半，靈感的迸發(fā)也不限于實(shí)驗(yàn)室之內(nèi)——陶子涵曾在實(shí)驗(yàn)中靈光一現(xiàn)，便立刻撥打電話，與出差正在乘坐高鐵的沈碧濤探討技術(shù)細(xì)節(jié)；幾位博士生的“學(xué)術(shù)交流”從午餐餐桌一直延續(xù)到未名湖畔漫步途中，芯片設(shè)計(jì)的新思路在輕松自然的氛圍中碰撞、延展……
“我為人人，人人為我”是王興軍始終秉持并向大家傳遞的“團(tuán)隊(duì)文化”。在他看來，光電融合系統(tǒng)高度復(fù)雜，覆蓋材料、工藝、器件、系統(tǒng)、測(cè)試等多個(gè)環(huán)節(jié)，任一環(huán)節(jié)的失誤都可能導(dǎo)致全盤皆輸。唯有依靠每個(gè)人的傾力投入和彼此間的無私協(xié)作，才可能催生出突破。
在王興軍的影響下，團(tuán)隊(duì)不僅凝聚力強(qiáng)，更有一股子持續(xù)攻堅(jiān)的韌勁。
登山，是團(tuán)隊(duì)調(diào)節(jié)緊張科研節(jié)奏的特殊方式。王興軍經(jīng)常帶著學(xué)生們?nèi)ヅ老闵�，他總是第一個(gè)抵達(dá)山頂。“登山途中我們不談?wù)n題，只聊生活、聊未來，”郭藝君說，“站在山頂俯瞰京城、遙望夕陽的那一刻，一種特別的成就感油然而生。”
王興軍與學(xué)生爬長城
“就像爬山一樣，科研之路沒有坦途，只有一步一個(gè)腳印向上攀登，才能領(lǐng)略山頂?shù)娘L(fēng)景。作為指導(dǎo)老師，我一直相信我們擁有最優(yōu)秀的隊(duì)員。我從未想過放棄，因?yàn)槲覀兪冀K彼此扶持、共同前行。”王興軍說。
在這場長達(dá)數(shù)年的科研長跑中，團(tuán)隊(duì)成員不斷成長、日益精進(jìn)。陶子涵在博士階段獲得首批國家自然科學(xué)基金青年學(xué)生基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助，他提出的“面向6G全頻譜接入的集成微波光子射頻前端芯片研究”為此次研究提供了重要支撐。青年研究人員不僅提升了技術(shù)能力，更學(xué)會(huì)了提出問題、分析問題、解決問題的科研方法，他們?cè)谀サZ中錘煉心智，為走向更廣闊的研究舞臺(tái)扎下了堅(jiān)實(shí)的根基。
對(duì)王興軍團(tuán)隊(duì)而言，這枚芯片的成功研制，只是攀登6G通信這座“高峰”沿途中的一站風(fēng)景。
6G與光電融合技術(shù)，既是全球科技競爭的新高地，也是我國亟需攻克的核心技術(shù)領(lǐng)域，更精準(zhǔn)契合我國發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力對(duì)底層核心技術(shù)的迫切需求。
“北大科研工作者既要‘頂天’——追求世界一流的原始創(chuàng)新；也要‘立地’——聚焦國家戰(zhàn)略與產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的真問題，”王興軍說，“我們希望這枚芯片能成為6G產(chǎn)業(yè)鏈的‘核心部件’，為未來通信技術(shù)發(fā)展提供新的解決方案，帶動(dòng)上下游一起發(fā)展。”
這次成果發(fā)表之后，王興軍團(tuán)隊(duì)再次相約爬山，他們的腳步從未停下，因?yàn)榍胺竭�有更美的風(fēng)景。
信息來源： 北京大學(xué)融媒體中心
