基于薄膜铌酸锂光子芯片的超宽带全频谱无线通信系统研究

研究人员针对6G及后世代无线网络对全频谱覆盖和动态频谱管理的需求，开发了基于薄膜铌酸锂(TFLN)平台的超宽带光子无线系统。通过利用Pockels效应和TFLN的可扩展性，实现了基带调制、无线-光子转换和可重构载波生成等核心功能的单片集成。该系统在0.5-115 GHz范围内实现了自适应无线通信，创纪录地覆盖了9个连续频段，峰值传输速率达100 Gbps，为未来智能无线网络提供了硬件解决方案。

随着第六代(6G)及后世代(XG)无线网络的发展，通信系统需要覆盖从微波、毫米波到太赫兹的广阔频谱范围，以满足不同应用场景的需求。然而，现有的电子或光子辅助解决方案面临着器件带宽有限和系统架构僵化的挑战。传统电子方案通常只能工作在特定频段，覆盖宽频谱需要多个独立子系统，增加了系统复杂性和成本。同时，基于级联倍频器的电子信号源在高频段噪声显著增加，导致性能不一致。虽然光电技术具有天然的高频友好特性，但实现紧凑、低噪声、宽带可调的光子无线系统仍面临三大挑战：信号源的相位噪声与调谐范围难以兼顾、无线-光子转换效率不足、以及系统集成度低。

为解决这些问题，Zihan Tao、Haoyu Wang等研究人员在《Nature》发表研究，开发了基于薄膜铌酸锂(TFLN)平台的可重构光子无线系统。该系统通过Pockels效应实现了前所未有的100 GHz以上频率范围的自适应无线通信，为未来全频谱和全场景无线网络迈出了重要一步。

研究采用了三项关键技术：(1)基于高Q值微环谐振器(MRR)和电光相位调制器的光电振荡器(OEO)架构，实现0.5-115 GHz低噪声信号生成；(2)单片集成TFLN芯片，包含基带调制、无线-光子转换和可重构载波生成模块；(3)热光调谐实现6 GHz/180 μs的快速频率重配置。实验使用标准数字信号处理流程，通过QPSK和16-QAM调制验证性能。

PIC-based wireless system architecture

研究人员设计了宽带可重构无线-光子系统，关键功能元件集成在11 mm×1.7 mm的TFLN芯片上。发射端(Tx)采用包含高速电光相位调制器和高Q值MRR的OEO产生可调载波，通过载波抑制单边带调制实现基带信号加载。接收端(Rx)利用宽带电光调制器直接实现无线信号到光域的转换，再与光学本振(LO)混频恢复基带信号。

Consistent operation across ultrabroad bandwidth

系统在0.5-115 GHz范围内展示了高度一致的性能。无线-光子转换在1,515-1,630 nm波长范围和高达100 GHz调制频率下保持均匀的光学响应。OEO信号源在5 GHz、20 GHz和90 GHz的相位噪声均保持在-85 dBc/Hz@10 kHz，克服了传统倍频方案的噪声累积问题。

Multi-band converged wireless communications

实验实现了从5 GHz到100 GHz（间隔5 GHz）的全频谱无线通信，覆盖L、S、C、X、Ku、K、Ka、U和W九个频段。在35 GHz和95 GHz频段实现了单通道100 Gbps的创纪录传输速率，所有高于30 GHz的通道均超过50 Gbps，BER均低于硬判决前向纠错(HD-FEC)阈值。

Dynamic spectrum management

系统展示了实时宽带重配置能力：(1)通过6 GHz/180 μs的热光调谐实现信道自适应，在97.5 GHz找到W频段120 Gbps 16-QAM信号的最佳工作点；(2)动态避开25 GHz和96.55 GHz的干扰频段；(3)保持载波与LO的精确对齐（频率偏移<100 MHz），确保零中频(Zero-IF)接收质量。

该研究代表了未来全频谱无线网络的重要进展。通过TFLN平台的电光特性和可扩展性，实现了宽带一致性、高频谱效率和实时重配置能力。相比传统电子方案需要多套独立系统覆盖不同频段，这一光子集成方案显著降低了系统复杂性和成本。虽然外围电子器件（如放大器和天线）仍需针对特定频段优化，但光子核心大大减轻了其对整体性能的影响。未来通过III-V-on-TFLN异质集成、超高Q值MRR和人工智能算法的引入，这一系统有望成为6G智能无线网络和集成传感通信(ISAC)的通用平台。