全频6G芯片，全球首颗，中国造！

用于全频谱无线通信的超宽带片上光子学

即将到来的第六代及更高版本的无线网络将在广泛的频率范围内运行——从微波、毫米波到太赫兹频段——以支持各种应用场景中的无处不在的连接。这需要一种通用的硬件解决方案，该解决方案可以在这种宽频谱内自适应地重新配置，以支持全频段覆盖和动态频谱管理。

然而，现有的电气或光子辅助解决方案在满足这一需求方面面临许多挑战，因为设备的带宽有限以及系统架构本质上是刚性的。在这里，我们展示了由薄膜铌酸锂 (TFLN) 光子无线系统驱动的前所未有的超过 100 GHz 频率范围内的自适应无线通信。利用普克尔斯效应和 TFLN 平台的可扩展性，我们实现了基本功能元素的单片集成，包括基带调制、宽带无线光子转换以及可重构载波和本地信号生成。我们的信号源由宽带可调谐光电振荡器驱动，工作频率范围达0.5 GHz至115 GHz，具有创纪录的高频率稳定性和一致的相干性。

基于宽带可重构集成光子解决方案，我们实现了跨九个连续频段的全链路无线通信，通道速率高达创纪录的100 Gbps。实时可重构性进一步实现了自适应频率分配，这是在复杂频谱环境下确保高可靠性的关键能力。我们提出的系统代表着我们朝着未来全频谱、全场景无线网络迈出了重要的一步。

无线通信技术通过实现广泛而大规模的连接影响着我们的信息社会 。为满足日益增长的无处不在的接入需求，未来的第六代 (6G) 及更高版本 (XG) 网络预计将自适应地使用全频谱资源，以满足不同的应用场景（图 1a ）。例如，高频毫米波和亚太赫兹频段将进一步提高数据速度并减少延迟，从而促进扩展现实 (XR) 和远程手术8等新兴数据密集型服务。

同时，低损耗的 6 GHz 以下和微波频段继续在农村地区或城市中心提供广泛的空间覆盖。此外，系统应具有实时频谱可重构性，以确保在复杂的频谱环境中高效使用频谱和可靠接入，通常称为智能无线电。为了支持这种自适应全频谱愿景，人们迫切需要一种能够重新配置以在整个频谱范围内运行的“一刀切”硬件解决方案。

具体而言，它应支持基带和射频 (RF) 频段之间的高保真度和宽带转换、具有宽带可调性和稳定性能的低噪声信号源，以及低成本的芯片级集成能力，将所有这些基本功能无缝地集成在一个小巧的封装中，实现协同操作。

图 1：超宽带集成光子学赋能全场景无线网络

a、预测的全场景无线网络，其频率跨度很大，从 6 GHz 以下低频（深绿色）到亚太赫兹高频（红色）频段。传统的电气方案需要为每个频段配备不同的设备组，而基于乘法器的高频源会累积噪声。

b 、提出的集成光子方案的概念图，可实现自适应全频谱操作。宽带光电振荡器产生频率可调的信号，覆盖整个频段，并保持始终如一的低噪声水平。

c 、用于超宽带载波和本振生成、信号调制和接收的薄膜铌酸锂光子无线解决方案的示意图。星号表示当前未集成在 TFLN 芯片上的组件。

d 、制成的 TFLN 芯片的光学显微镜图像。

e 、共封装的光子无线系统的照片。BB Mod.，基带调制器；W–P Conv.，无线–光子转换；LO，本振；Gen.，生成； OEO，光电振荡器。Zero-IF align.，零中频对准。

然而，实现这种宽带和可重构硬件面临着许多挑战。传统的电气解决方案通常设计为仅在特定频段运行，因为底层电气元件需要针对每个频段采用不同的设计规则、结构和材料。因此，覆盖宽频谱需要一系列针对各个频段专门定制的独立子系统。这不仅增加了系统复杂性和成本，尤其是在大规模部署场景中，而且还限制了动态频谱管理所需的频率可重构性。

此外，基于级联倍频器的电信号源在高频下的噪声会显著增加，导致不同频段之间的性能不一致并降低通信质量。光电技术的最新进展为利用光学系统固有的大带宽实现宽带操作提供了新的机会。具体而言，通过宽带电光（EO）调制器，即无线-光子转换，可以光学方式实现多频段无线接收。调制后的光信号可以使用光学设备进一步灵活处理，并通过光纤网络分配。

在信号发生方面，可以通过两个激光源的光学下混频来生成无线载波和本振信号，其中，可以通过控制激光频率来灵活设置射频信号频率，调谐范围仅受光电探测器带宽的限制。这种方法还允许使用成熟的光调制技术对无线信号进行高速同相/正交（I/Q）调制，从而以低成本支持超高数据吞吐量。

尽管自适应光子无线系统天生就适合高频，但实现紧凑的多波段系统仍面临三大挑战：

首先，当前的光无线生成方案难以同时实现低噪声、宽带可调性和系统紧凑性。拍频两个不相关的自由运行激光器产生的信号通常表现出较大的相位噪声和频率不稳定性。当由外部微波源调制时，拍频两个源自单个激光源的光边带可以获得更好的相干性。然而，这种光频倍增过程仍然受到与电子倍增器情况相同的噪声累积定律的限制。虽然光频分 (OFD) 等更先进的方法可以提供极低的相位噪声，但它们通常需要复杂的外部锁定方案，从而牺牲了光谱灵活性和系统简单性。

其次，当前演示中的无线-光子转换通常使用块体铌酸锂或硅基调制器来实现，而这些调制器由于其固有机制（例如等离子体色散或表面等离子体极化效应）而存在驱动电压高或固有光插入损耗大的问题。这些限制会降低信噪比 (SNR) 和信号速度。

第三，尽管其中一些演示部分采用了集成光子技术，但完整的通信系统在很大程度上仍然是分立的。简而言之，基于光子集成电路 (PIC) 的低噪声、宽带可调、高集成度无线解决方案的探索仍然未知。

在这里，我们通过开发基于薄膜铌酸锂（TFLN）平台的宽带可重构光子无线系统来应对这些挑战。与传统铌酸锂器件相比，TFLN 平台提供的 EO 调制器带宽更宽，覆盖毫米波和亚太赫兹波段，并且具有更高的可扩展性，可在单个芯片上集成多个 EO 和线性功能器件。利用这些独特的特性，我们基于光电振荡器方案实现了超宽带无线载波和本振（LO）信号生成，该方案可产生高度稳定的微波信号，具有从0.5 GHz 到115 GHz的创纪录宽频率调谐范围，同时保持一致的相干性。

我们进一步将宽带信号源与基带调制和无线光子转换模块集成，实现了无线光子电路，该电路可在超过100 GHz的带宽上实现高保真自适应无线通信。我们实现了跨九个连续频段的端到端高速无线通信，峰值数据速率超过100 Gbps。基于超宽工作带宽和实时可重构性，我们展示了系统协调频谱管理，成功解决了三大经典无线信道质量提升挑战——信道自适应、干扰规避和动态零差对准。我们的超宽带无线光子方法可以为下一代智能无线电网络提供可重构性和自适应性。

基于PIC的无线系统架构

图1b、c展示了我们提出的宽带可重构无线光子系统的示意图。该系统的关键功能元件（包括载波和本振信号生成、无线光子转换和基带调制）集成在同一 TFLN 芯片上，用于无线信号的发送和接收。该 TFLN 芯片采用晶圆级步进光刻工艺制造，并已封装以进行功能系统特性测试（图1d、e）。光子芯片的功能区域为 11 毫米 × 1.7 毫米，其宽度尺寸与典型的电子驱动芯片和潜在电光共封装中的毫米波天线兼容。

在无线发射端 (Tx)，使用包含高速电光相位调制器和高质量 (Q) 微环谐振器 (MRR) 的光电振荡器产生宽带可调载波。在预期的光电振荡频率下，两个相位调制边带中的一个与 MRR 的谐振频率对齐并被滤除，从而实现相位到强度的调制转换。调制后的光信号在光电探测器处转换回电域，最终被送回电光调制器以闭合光电振荡环路。当光放大器和电放大器的增益足够高时，可以实现正反馈，从而导致光电环路内的自激振荡。

我们的电光调制器采用先进的开槽电极设计，在 67 GHz 时仅表现出 1.3 dB 的电光滚降，外推的 3 dB 带宽为 110 GHz。这使得能够在前所未有的带宽内有效激发光电振荡。 MRR 具有接近 100 万的高固有Q值和 134 GHz 的自由光谱范围 (FSR)，可在宽泛的无边模频率范围内实现窄带光滤波。该 MRR 滤波器的片上热调谐功能可实现振荡频率的可重构选择。为了将基带信号加载到无线载波上，首先部署同相正交 (IQ) 调制器，通过载波抑制单边带调制将信号转换到光域。

之后，IQ 调制后的边带与滤波后的光电振荡信号在宽带光电探测器上混合。这将生成一个调制无线信号，其载波频率由光电振荡频率决定。重要的是，载波生成和 IQ 调制过程共享同一个激光源，从而确保最终生成信号的强相干性。总而言之，Tx 芯片可在宽带宽范围内生成具有可调中心频率的上行无线数据流。

在接收端 (Rx)，执行光辅助无线信号下变频，从而无需特定频段的射频混频器。为此，我们使用另一个半波电压 ( V π ) 较低的宽带电光调制器，将来自接收天线的无线信号直接转换到光域。为了将调制后的光信号转换回基带，基于与 Tx 中使用的相同的光电振荡过程生成可调谐的光 LO 信号。调制后的边带经过滤波，最终在接收光电探测器处与光 LO 混合，以检索基带通信信号。用于载波和 LO 生成的镜像系统架构确保了 Tx 和 Rx 端的宽带宽和可重构性。

此外，LO 频率可以进行微调，以精确对准接收信号的中心频率，从而实现零中频 (IF) 接收。零中频信号和 LO 可以直接在现场解调，也可以通过低损耗光纤网络进一步分发到远程中央单元 (CU)。除了宽带宽和低V π之外，TFLN EO 调制器还具有高调制线性度，这得益于铌酸锂的线性普克尔斯效应，可确保 EO 转换过程中的信号失真最小。测量的调制器无杂散动态范围 (SFDR) 约为 99 dB Hz 2/3，受马赫-曾德尔干涉仪正弦传递函数的限制，可以使用先进的线性化策略进一步改进。

总体而言，所提出的光子无线核心最大限度地减少了带宽受限器件的使用，仅需必要的电放大器和无线天线作为外围电路。通过与各种专用外围电路配合，它最终满足了6G全向场景的需求，支持全频段覆盖和自适应无线通信。

在超宽带宽内保持一致的运行

我们首先证明，所提出的集成光子无线方法的各个元件能够在宽带宽内提供高性能和一致性能。对于无线-光子转换（图2a），采用正交相移键控 (QPSK) 调制的不同载波频率的无线波形由天线链接调制器发送和接收。测得的光谱如图2b所示，显示在高达 100 GHz 的调制频率下，接收到的光边带的强度变化极小。在 1,515 nm 至 1,630 nm 的宽光载波波长范围内对高频 (80 GHz) 无线接收响应的进一步表征（图2c）也证明了均匀的光谱性能。无线载波和光频带的一致性凸显了其在基于波分复用大容量光纤无线电前传系统中的潜力。

图 2：宽带无线光子转换和无线信号产生

a、无线-光子转换装置。

b 、 c ，在各种无线（ b）和光学（c）载波频率下测得的光谱。

d、基于 OEO 的载波信号生成装置。

e、OEO方案的工作原理，其中可以通过调整光学谐振频率来重新配置振荡频率，而不会影响噪声性能。

f、基于传统乘法器的信号源的工作原理，其中噪声级联。

g、测得的 OEO 频谱，RBW 为 51 kHz。

h、在不同频率下测得的 OEO 信号的相位噪声显示跨频段的性能一致。

i、得的频率误差图。OSA，光谱分析仪；EDFA，掺铒光纤放大器；EA，电放大器；PD，光电探测器；MS，微波源；cw，连续波。

接下来，我们将使用图2d所示的装置，演示具有灵活可重构性和低噪声性能的载波和 LO 信号生成，频率范围为 0.5 GHz 至 115 GHz （详情请参阅方法）。光电振荡过程遵循范德波尔模型，其中振荡频率由激光器和 MRR 谐振峰之间的相对频率差决定。图2g显示了测得的信号频谱，几乎连续覆盖了整个频率范围，频率间隔为 500 MHz。两个缺少数据的窄光谱区域分别对应于接近 MRR FSR 一半（约 67 GHz）的振荡频率和介于两种类型的放大器（约 76 GHz）之间的振荡频率。这种基于光子芯片解决方案的 EO 混合信号发生器有效地统一了超过七个倍频程的九个射频频带，这是传统电子产品无法实现的。

虽然各个频段仍然需要专用的外围元件（例如电放大器），但这些相对较窄的频带元件自然会减轻光学MRR（图2e）相邻谐振的影响。因此，这减轻了对极小MRR的需求，从而增加了谐振峰之间的频率间隔。此外，我们进一步验证了使用单个硬件组实现100 GHz以上宽带振荡的可行性。

更重要的是，所提出的信号生成架构克服了传统频率倍增器方案中重要的噪声累积挑战（图2f），其中额外的相位噪声根据 Δ L = 20 × log 10 ( N ) 增加，其中N表示倍增因子。图2h显示了在 5 GHz、20 GHz 和 90 GHz 的不同生成频率下测得的相位噪声曲线，这些曲线彼此紧密一致，在 10 kHz 频率偏移处具有一致的 −85 dBc Hz−1相位噪声（绿色曲线）。我们进一步将噪声性能与后接乘法器的商用频率合成器芯片进行了比较。

此外，通过加入更长的光纤环路，可以进一步降低 OEO 方案的相位噪声。在 2 km 光纤延迟的 10 kHz 频率偏移处测得的相位噪声大幅降低到 10 kHz 时约为 −110 dBc Hz−1（蓝色曲线）。这里，由于 MRR 的滤波带宽相对较宽，边模不能得到有效抑制，这可以通过使用双环路方法并进一步提高MRR 14的Q因数来解决。由于来自下混检测系统的额外噪声，在 90 GHz 下测得的相位噪声上升到 10 kHz 偏移之外。

此外，为了表征平台和结构的稳定性，使用电频谱分析仪每分钟记录一次约 20 GHz 自由振荡的频率漂移，持续一小时。如图2i所示，结果表明大多数偏差小于百万分之零点五 (ppm)，即使在基于 PID 的 MRR 40频率锁定下，这也比其他平台好近 10 倍。

多频段融合无线通信

接下来，我们利用所提出的光子无线系统的宽带一致性来演示可在九个连续频段上重构的端到端无线通信。图3a显示了 Tx 和 Rx 端的详细系统配置，其中宽带可重构光子无线核心与各自频段的支持电子设备和天线协同工作，以实现完整的系统功能。与以前基于硅基调制器的光子辅助无线通信方法相比，此处的 TFLN 调制器具有更低的插入损耗（小于 2 dB）、更低的半波电压和更大的带宽，从而确保在超宽频谱范围内最小的功率损失和良好的信噪比。

为了验证这些优势，我们在 5 GHz 至 100 GHz 的载波频率上以 5 GHz 为间隔进行全频谱无线通信，使用喇叭天线发送和接收高速无线信号。使用三组天线覆盖特定频段：2–18 GHz、18–50 GHz 和 75–110 GHz。50–75 GHz 频段未启用是由于其使用受限，因为在此范围内大气吸收率很高。图3b显示了不同频率信道中的代表性星座图，具有不同的数据速率和调制格式，即 QPSK 和 16 正交幅度调制 (16-QAM)。在 35 GHz 和 95 GHz 中心频率下均可实现高达 100 Gbps 的单通道传输（95 GHz 时的误码率 (BER) 甚至更低），这代表了集成光子辅助无线通信的最高数据速率。

此外，除了带宽有限的低频载波外，所有载波频率高于 30 GHz 的信道均实现了超过 50 Gbps 的数据速率，验证了系统在宽频率范围内的性能一致性。

图3：多频段无线通信结果

a、端到端无线通信实验装置。插图 i–vi 显示了电路重要位置的光学和电学频谱。

b 、在不同频带测得的星座图。

c 、在不同频带测得的 BER 汇总。橙色和蓝色虚线分别对应硬判决和软判决前向纠错阈值。AWG，任意波形生成；MRR，微环谐振器；IQ mod.*，同相和正交调制器。我们使用带有集成偏置点控制的商用 IQ 模块来替代片上 IQ 调制器，这简化了通信实验的复杂性并防止了额外的不平衡。EDFA，掺铒光纤放大器；EA，电放大器；BPF，光带通滤波器，BNF，光带陷滤波器。

在图3c中，我们总结了所有测量频段的 BER 结果，这些结果使用标准数字信号处理流程获得。九个不同频段（L、S、C、X、Ku、K、Ka、U 和 W）的所有传输 BER 值均低于硬判决前向纠错 (HD-FEC) 或软判决前向纠错 (SD-FEC) 阈值。数据传输性能现在主要受两个因素限制。

首先，天线和放大器的性能在各自的中心频率处进行优化，远离这些中心频率时性能会下降。从 W 频段 60 Gbps 传输结果的 BER 值中可以看出这一点（图3c中的红色虚线），在频段边缘附近性能会大幅下降。

第二个限制因素是电气设备的带内频谱响应不理想，即纹波和下降，这会导致边带负载不均匀。这种类型的信号衰减对于高阶调制格式（例如 16-QAM）更为明显，并且可以通过协同微调载波和 LO 频率来缓解，如下一节所述。

动态频谱管理

最后，我们证明了该系统在动态频谱管理中的实时宽带可重构性。利用热光效应，该系统可以快速调整载波/LO频率，在180 µs 内实现 6 GHz 的调谐范围。这种能力大大增强了无线系统在复杂的实际场景中的适应性。例如，如上一节所述，电气设备（主要是天线和电放大器）的非理想响应会在某些频段内产生显著的波动。如图4a所示，多径干扰等其他影响也会导致类似的恶化。传统上，这种影响通常通过正交频分复用（OFDM）算法来减轻。在这里，我们提供了一个更基本的硬件解决方案，通过近连续的频域调谐自适应地搜索具有增强可靠性的最佳频率点。

如图4b所示，W 波段 Tx 和 Rx 端使用的 LNA 表现出不均匀的频率响应，幅度变化超过 4 dB。在 80 GHz 下工作时，这种波动会导致接收光谱明显失真（图4c，上图）。自适应地将工作频率转移到 98 GHz 可显著改善信号质量，在光域中产生更平坦的光谱包络（图4c，下图）。图4d总结了在 94 至 100 GHz 之间测量的 120 Gbps 16-QAM 信号的 BER，优化工作点为 97.5 GHz，证实了可重构系统在实现信道自适应方面的有效性。

图 4：系统协调无线频谱管理

a、频谱自适应示意图。

b 、实验中无线信道的非理想频率响应。

c 、无线载波频率分别为 80 GHz（上图）和 98 GHz（下图）的加载信号的光谱失真。

d 、在不同频率信道中测得的 120 Gbps 16-QAM 信号的 BER。

e 、主动干扰避免的设置和原理示意图。

f 、g 、在初始频率为 25 GHz（ f）和 96.55 GHz（ g ）时，在干扰（插图 i-v）和分离（插图 vi-x）信号情况下的基带功率谱和解调星座图。插图 (i) 和 (vi) 显示了各种情况下目标信号和干扰信号的功率谱密度。插图 (ii-v 和 vii-x) 显示了解调星座图和 BER。

h、目标信号和 LO 之间的频率对齐示意图。

i 、四种信号的 BER 与频率偏移的关系。

无线通信中的另一个常见挑战是由于嘈杂和拥塞的无线环境造成的干扰。如图4e所示，引入一个额外的天线来发射与原始信号在频域上重叠的干扰信号。两个信号同时由 Rx 天线接收。基于可重构光子架构，Tx 端的发射信号可以自适应地调谐，以避开干扰频段并利用空闲频段。重要的是，Rx 端的 LO 可以同步重构，以在此过程中保持频率对齐（接下来将讨论）。在实验中，20 Gbps QPSK 信号作为目标信号，而微波源（Keysight 8257D）产生具有不同幅度和频率的单音信号作为干扰。

如图4f,g所示，分别演示了 25 GHz 和 96.55 GHz 下的自适应通信。在两种情况下，干扰信号最初都会与数据信号重叠，从而完全扰乱接收信号，并形成不可恢复的星座图。在两种情况下，通过适当调整发射和接收的中心频率，基带低通滤波器成功抑制了干扰，最终误码率为0。系统的端到端可重构性极大地提高了复杂电磁环境下的通信可靠性。

最后，我们强调了发射端和接收端系统协调可重构性的重要性。为了基于自适应频谱管理解决上述挑战，一个关键要求是发射端的载波频率和接收端的本振频率必须精确对齐以实现零中频（图4h），因为任何频率偏移都可能对通信质量产生不利影响。图4i显示了当本振与载波频率失谐时，各种信号速度和调制格式的误码率（BER）测得值。与QPSK相比，16-QAM对频率偏移更为敏感，这凸显了更先进的调制格式需要精确的载波-本振匹配。当频率偏移过大以至于DSP无法准确估计时，信号将完全无法恢复，导致BER达到0.5。

结论与讨论

综上所述，我们提出并演示了一种集成光电架构，其工作频率范围为 0.5 GHz 至 115 GHz，可用于多频段融合无线通信。载波和 LO 生成、信号加载和接收等基本组件均在具有宽带光子构建模块和可扩展性的同一 TFLN 平台上实现。与以前的光子辅助无线演示相比，这使得可重构全链路无线通信具有更高的带宽、数据速率和系统功能，如表1所示。宽带一致性还使所提出的系统能够有效适应复杂的电磁环境，进一步增强其在现实世界无线通信中的可靠性。

在扩展数据表1中，我们还制作了一个详细的基准表，以便与电子解决方案进行全面的性能比较。我们还进一步讨论了实现外围光电器件（如天线和放大器）全波段操作所面临的挑战。为了展示无需更改硬件即可实现完整的全频谱无线系统的前景，我们进行了概念验证演示，无需更换任何电子设备即可产生高达 110 GHz 的频率。

表1 光子辅助高速无线通信代表成果比较

通过先进的集成技术和架构优化，可以进一步提高集成度和性能。虽然当前实验中的外部光子元件（例如激光器和光电探测器）已经以集成形式实现（方法），但可以通过异质集成的 III-V-on-TFLN 技术实现更高的集成度。我们的初步实验结果表明，可以省去耗电和耗空间的 EDFA，从而实现低系统功耗的完全片上链路。使用超宽带 TFLN 调制器和改进的单行载波 (MUTC) 光电探测器 ，可以将工作带宽扩展到 THz 范围。为了在紧凑的空间内实现更低的相位噪声，可以将超高Q MRR 实现为 OEO 中的滤波和储能元件。超低损耗片上光延迟线也可用于在小面积内增加环路距离。将片上元件与弯曲半径低于 5 毫米的最先进的弯曲不敏感光纤共同封装，可以用于空间限制不太严格的应用场景。

展望未来，所提出的系统有望成为一种通用方法，其中可以实现人工智能算法，使硬件动态地适应不断变化的环境和网络动态，遵循人工智能原生概念。此外，所提出的原理图可适用于集成传感和通信 (ISAC)，其中加载的信号可以进一步集成线性调频 (LFM) 信号，从而同时实现实时数据传输和精确的环境感知。

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