无线通信技术经历了从一代到五代的飞速发展,未来的第六代(6G)及其更高代际网络(统称XG)将面临更复杂的频谱资源利用与更严苛的性能需求。为了满足千兆甚至百吉比特时延低、覆盖广泛的应用场景,如虚拟现实(VR)/增强现实(AR)、远程手术及智慧城市,通信系统亟需跨越传统的频率和带宽桎梏,实现在微波、毫米波到太赫兹(THz)频段的全面覆盖。超宽带片上光子技术应运而生,成为推动全频谱无线通信的变革性力量。传统电子无线设备往往为特定频段量身定制,因硬件结构和材料局限,实现跨频带频率调谐困难,且频率倍频会显著累积噪声,导致高频通信质量恶化。此外,多段系统的组件重复度高,增加尺寸和成本,难以满足灵活、低成本的小型化趋势。光子技术拥有本质的高频优势,利用光频率极宽的特性,结合电光调制,开启了基于光电混频的高频信号生成与处理新途径。
薄膜铌酸锂(TFLN)平台凭借其优异的电光(Pockels)效应、高带宽和集成友好性,为片上集成全频段无线光子系统奠定了坚实基础。该技术可将基带信号经光学方式直接调制到无线载波频率,涵盖0.5GHz至115GHz的频谱范围,远超传统器件带宽。核心于系统的宽带可调光电振荡器(OEO)围绕高品质微环谐振器实现,相较传统倍频器有效抑制噪声累加效应,确保不同频段信号相干且稳定。基于单片TFLN芯片集成了基带调制、无线-光子转换与可重构载波/本振信号生成等功能模块,显著提升系统紧凑性与功耗效率。该架构的创新之处在于利用微环谐振器对光信号进行选择性滤波,将调制侧带同步纳入环路,实现闭环振荡,频率仅受微环调谐控制,提供了前所未有的频率覆盖范围和调控自由度。驱动模块采用设计优化的槽式电极,带来110GHz的3dB带宽,实现了对亚太赫兹通信频段的有效覆盖。
无线传输部分,发射端通过TFLN芯片产生的载波频率被大幅调制且载波频率实时可调,支持从微波到近毫米波的多频段信号生成。接收端光电调制器直接将射频信号转换为光信号,结合可调光本振,保证了零中频(Zero-IF)接收,减少硬件复杂性,同时增强了频谱适应能力。实验验证显示,该系统跨越九个连续频段实现端到端无线传输,最高单通道速率突破100Gbps,性能优于多种传统及半导体光子解决方案。在实际应用环境中,系统实现了动态频谱管理功能。借助微环谐振器内的热光效应,载波频率可在微秒级完成6GHz调谐,有效克服通信链路中的信号频率响应不均、干扰及多径衰落等问题。通过实时频率切换,系统能够智能避开电磁拥堵频段,保证通信稳定性和可靠性。
此外,Tx与Rx端的载波及本振同步重构设计确保零频率偏移,实现了对高阶16-QAM等复杂调制格式的支持,满足未来高速多媒体应用需求。薄膜铌酸锂技术的集成潜力也为将来实现完全片上激光器与光电探测器的单芯片光子系统铺平道路。利用III-V外延与TFLN的异质集成,将极大缩减系统体积及功耗,消减对光纤放大器的依赖,增强系统的商业化可行性。未来,借助超低损耗微环谐振器和集成光延迟线,系统的振荡相噪和频率稳定性可望进一步提升,甚至实现太赫兹频段的通信链接。与此同时,光子集成无线通信系统融合人工智能算法,具备智能频谱调度与环境感知能力,将成为下一代智能无线网络的核心组件。此外,系统结构多样且灵活,可扩展至集成感知与通信统一技术,实现数据传输与实时环境测量的双重功能,满足智慧城市和自动驾驶等多场景应用要求。
在全球无线频谱资源日益珍贵的背景下,超宽带片上光子技术以其广谱、自适应、低噪声及高度集成优势,正推动无线通信走向全频谱全面覆盖的新纪元。它不仅弥补了传统射频电子器件频率与带宽的不足,还极大提升了数据传送速率与系统可靠性。展望未来,该技术的产业化将极大促进6G及更高代无线网络的性能飞跃,为实现无处不在的万物互联提供强有力的技术保障。 。
