导读
近日，北京大学王兴军教授-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课题组、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，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，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）均能支持创纪录的数据传输速率，实现“一套系统、跨场景复用”。这一里程碑式的突破有望重塑电信通讯系统架构，为未来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。相关研究成果以《集成光子学赋能超宽带光纤-无线🛜通信》（“Integrated photonics enabling ultra-wideband fibre–wireless communication”）为题，在线发表于Nature。
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
背景
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重要瓶颈。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。
研究亮点
1. 超宽带集成光学器件和AI均衡算法
针对上述问题，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250 GHz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＞100 GHz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
2. 超高速太赫兹无线🛜通信和大容量多用户无线🛜接入
研究团队的实验验证表明，该系统可支持单通道光纤通信＞512 Gbps的超高速直调直检速率和＞400 Gbps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
三位审稿人均对文章给予高度评价，认为实验“艰巨而卓越并刷新多项世界纪录”（“heroic and record-setting”，“Multiple world records have been achieved in this work），指出“该研究对融合光学/太赫兹通信系统的进步做出了重要贡献”（it makes a significant contribution to the advancement of converged optical/THz communication systems）。
北京大学与鹏城实验室联合培养博士生张云皓，北京大学研究员舒浩文，博士生郭艺君，国家信息光电子创新中心高级『工程师』周佩奇，上海科技大学博士生王鲁玉为本文的共同第一作者。王兴军，余少华，陈佰乐和舒浩文为本文的通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、鹏城实验室重大攻关等项目的大力支持。
编辑 | 徐睿
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