1 工作简介

         ——超宽带薄膜铌酸锂光电融合芯片

为满足日益增长的信息泛在接入需求，未来下一代无线通信网络将动态实时利用全频段资源来支持多样化应用场景，并具备实时频谱重构能力，以确保在复杂频谱环境中的稳定连接。为实现这种自适应全频段灵活无线通信的愿景，亟须一种全新的材料工艺平台和通用型硬件解决方案，以兼容全频段无线信号，并满足小型化/轻量化集成和低功耗运行的需求。然而，传统电子学硬件仅可工作在单个频段，不同频段的器件依赖不同的设计规则、结构方案和材料体系，难以实现跨频段乃至全频段范围的工作。

针对以上挑战，北京大学王兴军教授、舒浩文研究员和香港城市大学王骋教授联合团队，成功攻克了兼容大规模晶圆级制造与超大电光调制带宽特性的核心工艺难题，在薄膜铌酸锂（TFLN）集成工艺平台上，成功开发出超宽带薄膜铌酸锂光电融合芯片，并实现了覆盖范围超过110 GHz的自适应可重构高速无线通信。2025年8月27日，相关研究成果以《面向全频段无线通信的超宽带片上光电融合系统》（“Ultrabroadband on-chip photonics for full-spectrum wireless communications”）为题，在线发表于国际顶级学术杂志《Nature》上。该工作还入选Nature官网“Research Analysis”专栏报道，Nature编辑高度评价了本研究对“拓展光通信前沿的重大贡献”，并指出：“为实现从5G到6G及后续技术的跨代际信号传输，开发芯片上的紧凑型超宽带器件是全球研究的焦点。该研究成功将收发系统微型化于集成光子平台，其展现出的宽频带高速数据传输能力，充分证明了其在未来无线通信中的巨大应用前景。(Engineers and scientists are developing compact and ultrabroadband devices on chips that can transmit signals across many bands, from 5G to 6G and beyond. This work presents one such implementation.)”同时，国际物理学权威媒体《Physics World》详细报道了本研究，美国国家工程院院士、南加州大学杰出教授Alan Willner在该报道中特别指出：“如何以高性价比且灵活的方式利用不同射频波段传输高速数据？使用一个可调谐、可重构的集成平台来覆盖所有这些波段，无疑是更优的方案。这项研究是朝着这个方向迈出的重要一步。(Are you going to use multiple different systems – one each for microwave, millimetre wave, and terahertz? Using one tuneable and reconfigurable integrated platform to cover these bands is significantly better. This research is a great step in that direction.)”

在该工作中，研究团队针对宽带、可大规模制备两个方向对薄膜铌酸锂工艺及设计展开优化。在工艺创新方面，团队采用紫外步进光刻与高均匀性Ar⁺感应耦合刻蚀工艺，实现了波导侧壁粗糙度的精确控制与电极-光波导复合结构的低损耗集成。基于4英寸LNOI晶圆制备流程使得高性能电光调制器阵列得以大规模并行制备，展现出优异的器件一致性与系统级互连能力。这一工艺平台可同时集成各类型电光调制器、微环滤波器等有源、无源器件，实现完整无线信号链的片上光电融合。在器件设计方面，研究团队基于TFLN材料的优异电光特性，提出了高线性、低驱动电压、超宽带的行波电极调制结构。通过优化电极-波导耦合区的结构设计，引入狭缝式行波电极并完成精确阻抗匹配，实现了低损耗电光传输与超过110 GHz的电光调制带宽。同时，采用基于多模波导的高品质因子微环谐振器与电光调制器协同工作，使得芯片可在全频段范围内完成从基带到射频/微波/毫米波/亚太赫兹的高保真信号调制与光电转换。器件架构具备可重构性与模块化特征，可灵活支持无线–光信号转换、可调谐低噪声载波与本振信号产生，以及数字基带调制等多功能任务，从而实现全频段无线链路的统一光子集成方案。通过此工艺平台，系统实现了超宽带信号传输与低相噪稳定工作，为未来面向6G及更高代际的自适应全频段无线通信奠定了核心硬件基础。

实验验证表明，该系统可实现>120 Gbps的超高速无线传输速率，满足6G通信的峰值速率要求。尤为关键的是，得益于光电融合集成芯片的超宽带特性，端到端无线通信链路在全频段内展现出卓越的性能一致性，且高频段性能未见劣化。这一突破性成果为6G通信高效开发太赫兹及乃至更高频段的频谱资源扫清了关键障碍。进一步，得益于光电融合集成技术的可调谐特性，该系统支持工作频率的实时重构。即使在信道受噪声干扰或多径效应等被动影响而劣化时，仍能通过动态切换至安全频段确保通信可靠性。下一步，研究团队将着力提升系统集成度，以实现激光器、光电探测器和天线的单片集成，最终实现可适配任何系统的"即插即用"型智能光电融合无线通信模组。团队期待这项研究能成为下一代无线通信技术革命的技术引擎，带动整个产业生态的协同创新与跨越式发展。

北京大学电子学院博士后陶子涵、北京大学集成电路学院博士生王皓玉、香港城市大学电气工程学院研究助理教授冯寒珂、北京大学电子学院博士生郭艺君以及博士后沈碧涛为本论文共同第一作者，北京大学电子学院王兴军教授、香港城市大学电气工程学院王骋教授以及北京大学电子学院舒浩文研究员为本文共同通讯作者。本研究得到科技部国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金青年学生基础研究项目等的资助。

2 主要作者简介

通讯作者

舒浩文，北京大学博雅青年学者，电子学院助理教授，研究员，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，重点研发计划青年科学家。

主要研究领域为硅基集成光电子信息系统，包括器件性能优化与系统架构设计等，应用方向为数据中心通信、微波/毫米波光子信号处理、高性能传感与计算等，相关成果以第一/通讯(共同)作者发表Nature、Nature Photonics等期刊。曾获第七届中国光学工程学会创新论文奖，北京大学优秀博士后，入选中国微波光子学学术新星、中国光学工程学会PhotoniX Prize、2024年北京市科学技术奖自然科学一等奖(序2)。

通讯作者

王骋，香港城市大学电机工程学系副教授，博士毕业于哈佛大学。

主要研究方向包括薄膜铌酸锂光子器件及其在光通信和微波光子领域的应用，在Nature、Nature Photonics等期刊上发表60余篇SCI论文，主持国家级青年科学基金及香港研究资助局多项科研基金，获评麻省理工科技评论35岁以下创新35人（中国区）、裘槎基金会前瞻科研大奖、达摩院青橙奖。

通讯作者

王兴军，北京大学博雅特聘教授、博士生导师、电子学院副院长、光子传输与通信全国重点实验室副主任、教育部纳光电子前沿科学中心副主任、国务院学科评议组成员、教育部长江学者特聘教授，美国光学学会会士（Optica Fellow）。中国光学学会会士、中国光学工程学会会士、中国通信学会会士。

长期从事硅基光电子学的基础理论、器件与芯片制备、以及系统应用等方面的研究。作为负责人主持科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金重大仪器、国家自然科学基金重点项目（2项）、等十余项国家级项目。以第一/通讯作者在Nature（2）、Nature Photonics、Nature Communications（10）、Science Advances等高水平期刊发表论文200余篇，在OFC、CLEO等行业顶级学术会议发表论文50余篇，SCI他引6000余次，授权发明专利50余项，OFC、CLEO、OECC、ACP等国际会议邀请报告50余次。代表性成果中国十大科技创新奖、中国光学十大进展、中国信息通信领域十大科技进展（2）、中国光学十大社会影响力事件、中国芯片科学十大进展（2）等奖项，获得2024年北京市科学技术奖自然科学一等奖（序1）。

3 原文传递

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09451-8