Ученые Пекинского университета опубликовали статью в журнале Nature! Устранение основных препятствий на пути развития технологии 6G
2025-11-03
27 августа в журнале Nature была опубликована исследовательская статья под названием «Сверхширокополосная фотоника на кристалле для полноспектральной беспроводной связи», написанная профессором Ван Синцзюнем и группой исследователей Шу Хаовэня из Пекинского университета, а также профессором Ван Чэном из Городского университета Гонконга. В статье предлагается концепция «универсального оптоэлектронного термоядерного беспроводного приёмопередатчика» и успешно разрабатывается сверхширокополосный оптоэлектронный термоядерный интегральный чип. В отличие от традиционных решений, он обладает многодиапазонной совместимостью, гибкостью в режиме реального времени и возможностью быстрой реконфигурации, полностью решая фундаментальную задачу баланса между пропускной способностью, шумовыми характеристиками и реконфигурируемостью. Этот знаменательный прорыв устраняет основные препятствия на пути эффективного освоения ресурсов терагерцового и даже более высокочастотного спектра для связи 6G. Ожидается, что в будущем этот прорыв изменит ландшафт беспроводной связи, став технологическим двигателем экосистемы отрасли беспроводной связи и позволив Китаю совершить скачок развития и выйти из категории догоняющих в категорию лидеров в этой области.
1.Разработка новых технологий для «оптоэлектронной интеграции»
Следующее поколение сетей беспроводной связи будет ориентировано на удовлетворение растущего спроса на повсеместный доступ, стремясь к динамичному использованию всего спектра в режиме реального времени для поддержки различных сценариев применения. Это практическое требование предъявляет новые требования к используемым материалам: высокочастотные миллиметровые и терагерцовые диапазоны будут обеспечивать более высокую скорость передачи данных и меньшую задержку, что позволит поддерживать новые сервисы с большим объемом данных, такие как расширенная реальность (XR) и удаленная хирургия; в то время как диапазоны Sub-6 ГГц и микроволновые диапазоны с низкими потерями при распространении сигнала продолжат обеспечивать широкополосное покрытие для городских и удаленных районов. Кроме того, система должна обладать возможностями реконфигурации спектра в режиме реального времени для обеспечения эффективного использования и стабильного соединения в сложных спектральных условиях.
Диаграмма, иллюстрирующая концепцию повсеместного покрытия беспроводной сетью и ограничения традиционных решений.
Однако для реализации этой концепции адаптивной, гибкой беспроводной связи во всем диапазоне частот необходимо универсальное аппаратное решение, сочетающее в себе множество функций, таких как «широкополосный беспроводной сигнал», «миниатюрная или облегченная интеграция» и «низкое энергопотребление». В настоящее время из-за различий в частотных диапазонах традиционного электронного оборудования правила проектирования, структурные схемы и системы материалов различаются, что ограничивает их работу одним частотным диапазоном и затрудняет кросс-диапазонную или даже полнодиапазонную работу. Эта разрушительная техническая проблема преследует отрасль уже много лет. Ранее американский чип-гигант Intel пытался сотрудничать с японским оператором связи NTT и южнокорейским производителем чипов SK Hynix для решения таких проблем, как энергопотребление и скорость вычислений. Компания Shinko Electric, производящая полупроводниковые подложки, и компания Kioxia, производящая полупроводниковую память, также запускают аналогичные технологические исследования.
2.Преодоление технических проблем и баланс между несколькими функциями
Для решения этой проблемы исследовательская группа предложила концепцию «универсального оптоэлектронного термоядерного беспроводного приёмопередатчика». На основе передовой тонкоплёночной фотонной платформы на основе ниобата лития им удалось успешно разработать сверхширокополосный оптоэлектронный термоядерный интегральный чип, обеспечивающий адаптивную реконфигурируемую высокоскоростную беспроводную связь с диапазоном покрытия более 110 ГГц. Этот чип объединяет в себе все функции обработки беспроводных сигналов, включая широкополосное преобразование беспроводного сигнала в оптический, генерацию настраиваемой несущей с низким уровнем шума или гетеродина, а также цифровую модуляцию основной полосы частот, в пределах небольшой функциональной области размером 11 мм × 1,7 мм, что обеспечивает высокую степень интеграции на системном уровне.
Принципиальная схема технологии сверхширокополосной оптоэлектронной конвергенции, обеспечивающей беспроводные сети сверхширокополосного повсеместного доступа
На основе этого основного чипа команда далее предложила архитектуру интегрированного оптоэлектронного генератора (ОЭГ) с высокопроизводительным оптическим микрокольцевым резонатором. Эта архитектура точно выбирает режим генерации посредством высокоточной частоты микрокольца, тем самым генерируя малошумящие сигналы несущей и гетеродина в любой частотной точке сверхширокополосного диапазона. По сравнению с традиционными электронными решениями на основе умножителей частоты, система ОЭГ впервые обеспечивает возможность гибкой и быстрой перестройки в реальном времени от центральных частот 0,5 ГГц до 115 ГГц. Её малошумящая перестройка сигнала в диапазоне почти восьми октав является прорывом, которого до сих пор не достигала ни одна другая платформа или технологическое решение. Это решение также позволяет избежать проблемы резкого ухудшения фазового шума в высокочастотном диапазоне из-за накопления шума в традиционных цепях умножителей частоты, тем самым полностью решая фундаментальную задачу баланса между полосой пропускания, шумовыми характеристиками и перестраиваемостью, существовавшую в предыдущих системах.
Эксперименты, проведённые группой, демонстрируют, что система способна достигать сверхвысокоскоростной беспроводной передачи данных, превышающей 120 Гбит/с, что соответствует требованиям пиковой скорости связи 6G. Важно отметить, что благодаря сверхширокополосным характеристикам оптоэлектронного синтезированного интегрального микросхемы, сквозной беспроводной канал связи демонстрирует превосходную стабильность производительности во всём диапазоне частот, без снижения производительности в высокочастотном диапазоне. Этот прорыв устраняет ключевое препятствие для эффективного освоения ресурсов терагерцового и даже более высокочастотного спектра для связи 6G.
Кроме того, благодаря настраиваемым характеристикам оптоэлектронной интеграции, система поддерживает перенастройку рабочей частоты в реальном времени. Даже при ухудшении качества канала из-за пассивных факторов, таких как шумовые помехи или многолучевое распространение, система может обеспечить надежность связи, динамически переключаясь на безопасный частотный диапазон. Например, на концертах и спортивных мероприятиях с десятками тысяч участников традиционные беспроводные устройства часто используют одни и те же фиксированные частоты, что приводит к взаимным помехам между пользователями и значительному ухудшению качества связи. Однако эта технология подобна строительству «широкой автомагистрали». Благодаря её возможностям окружающие базовые станции и мобильные телефоны пользователей могут интеллектуально переключаться между различными частотными диапазонами для обеспечения связи. Каждое пользовательское устройство может найти свой «выделенный канал», свободно и эффективно выбирая свободный от помех и помех частотный диапазон для связи, эффективно избегая перегрузки сигнала и проблем с помехами, а также значительно повышая качество и эффективность связи.
Диаграмма созвездия широкополосной беспроводной связи и результаты оценки частоты ошибок по битам
3.Пионер будущего и лидер развития отрасли
Это открытие предлагает решение для полнодиапазонной реконфигурации, которое будет способствовать созданию более гибких и интеллектуальных беспроводных сетей на базе искусственного интеллекта (ИИ) и изменит будущий ландшафт беспроводной связи. Основанное на концепции «AI native», решение позволяет динамически и адаптивно корректировать параметры оборудования, внедряя алгоритмы ИИ для работы в сложных и постоянно меняющихся условиях связи. Более того, его можно применять в интегрированных сценариях связи и датчиков, одновременно обеспечивая передачу данных в режиме реального времени и точное восприятие окружающей среды за счет загрузки сигналов с линейной частотной модуляцией. Это решение также окажет значительное влияние на развитие отраслевой цепочки, в частности, придав новый импульс инновационной разработке ключевых компонентов, таких как широкополосные реконфигурируемые антенны.
В будущем исследовательская группа сосредоточится на улучшении системной интеграции для достижения монолитной интеграции лазеров, фотодетекторов и антенн, что в конечном итоге позволит создать интеллектуальный беспроводной коммуникационный модуль с функцией «plug-and-play», который можно адаптировать к любой системе. Группа надеется, что это исследование станет технологическим локомотивом следующего поколения революции в области беспроводных коммуникационных технологий, стимулируя совместные инновации и скачок развития во всей промышленной экосистеме, а также позволит моей стране совершить скачок развития, перейдя от стадии догоняющего уровня к стадии отстающего и к лидерству в этой области.
Постдокторант Тао Цзыхань из Школы электронной инженерии Пекинского университета; докторант Ван Хаоюй из Школы интегральных схем Пекинского университета; научный сотрудник Фэн Ханке из Школы электротехники Городского университета Гонконга; докторант Го Ицзюнь из Школы электронной инженерии Пекинского университета; и постдокторант Шэнь Битао являются первыми авторами этой статьи. Профессор Ван Синцзюнь из Школы электронной инженерии Пекинского университета; профессор Ван Чэн из Школы электротехники Городского университета Гонконга; и исследователь Шу Хаовэнь из Школы электронной инженерии Пекинского университета являются соавторами-корреспондентами. Доцент Сунь Дань из Института оптоэлектронных наук дельты реки Янцзы Пекинского университета; постдокторант Тао Юаньшэн из Городского университета Гонконга; и исследователь Хэ Яньдун из Школы интегральных схем Пекинского университета внесли значительный вклад в эту статью. Данное исследование было поддержано Национальной программой ключевых исследований и разработок Китая (Министерство науки и технологий), Программой фундаментальных исследований для молодых студентов Национального фонда естественных наук Китая (NSFC), Ключевым проектом Национального фонда естественных наук Китая (NSFC), Национальным проектом по разработке крупных научных приборов, Фондом молодых ученых (категория B) Национального фонда естественных наук Китая (NSFC), Фондом молодых ученых (категория C) Национального фонда естественных наук Китая (NSFC), Советом по исследовательским грантам Гонконга (ARF), Фондом Краучера Гонконга и Советом по исследовательским грантам Гонконга (CRFC). Среди них доктор Тао Цзыхань, первый автор статьи, получил финансирование в рамках первого этапа проекта фундаментальных исследований молодых студентов Национального фонда естественных наук Китая под названием «Исследование интегрированного микросхемы фронт-энда СВЧ-фотонного радиочастотного диапазона для доступа к полному спектру 6G», что оказало важную поддержку в разработке данной статьи.
