无线通信技术已深刻改变了现代社会的通信方式,而未来的第六代和更高级别无线网络(6G及以后)则将面临更为复杂和多样化的挑战。为了满足覆盖从低频微波到高频太赫兹的广泛频段需求,打造适用于各种应用场景、高效利用全频谱资源的硬件方案显得尤为关键。然而,传统电子设备和现有光电辅助方案在宽带性能、系统灵活性和集成度方面均存在显著瓶颈。本文重点介绍基于薄膜铌酸锂(TFLN)片上光子平台的超宽带无线通信系统,探讨其在全频谱支持、多波段自适应和高数据率传输方面的突破,以及对未来无线网络的深远影响。 薄膜铌酸锂片上光子平台作为下一代光电集成技术的代表,凭借其线性Pockels效应和卓越的电光调制性能,具备极宽的工作带宽和高度的集成兼容性。相比传统体块铌酸锂或硅基调制器,TFLN模组展现出更低的插入损耗、更宽的调制带宽和更小的驱动电压,为无线信号的基带调制、宽带载波生成及无线-光子转换提供了理想的软硬件基础。
通过在同一芯片上集成基带调制器、宽带频率可调的光电子振荡器(OEO)、以及用于信号转换和载波本地振荡(LO)生成的多功能模块,实现从0.5 GHz到115 GHz的超宽频段自适应无线通信,进一步推动了通信硬件的柔性化和小型化。 系统中核心的光电子振荡器利用片上高品质因数(Q)微环谐振器与高速相位调制器协同工作,通过调整微环的谐振频率实现精确的频率调节。这种基于单激光源产生双边带的光频下变频方案不仅实现了无线载波信号在极宽频段内的无缝覆蓋,还有效克服了传统频率倍增器噪声积累的难题,确保各频段信号频谱的高度稳定和相干性。相较于多激光源系统,单激光光频倍增方案极大地降低了相位噪声并提升了系统的频率稳定性,使通信质量得以保障。 在发射端,IQ调制器实现基带信号的光学调制,并与载波携带信号进行光电混频,产生保持高相干性的调制无线信号。接收端则采用宽带低驱动电压的电光调制器将接收到的无线信号转换为光信号,再利用与发射端相同的OEO结构生成本地振荡,实现零中频(Zero-IF)精确解调,进一步简化了高频无线通信中对带宽受限射频混频器的依赖,增强了系统的频谱适配能力。
超宽带无线通信的实现不仅依赖于核心光子集成器件的优异性能,还依赖于周边射频电路与天线的协同优化。通过三组不同覆盖频段的天线协作,系统涵盖了2~110 GHz的宽广频谱区域。为响应大规模多频段、动态频谱环境下的频率管理需求,系统支持快速的热光调谐机制,能够在180微秒内实现约6 GHz的频段跳变,有效应对射频链路中的非理想频率响应及干扰信号,实现动态频谱避让和信道自适应,显著提升了通信链路的可靠性与灵活性。 在实际通信性能验证中,基于该超宽带光子系统的无线链路展示了跨9个连续频段的快速、高质量数据传输能力,多数频段均支持超过50 Gbps的数据速率。在部分高频载波频段,峰值速率达到了令人瞩目的100 Gbps,刷新了集成光子辅助无线通信的记录。通过精密的数字信号处理算法,重构的信号质量达到硬判决和软判决前向纠错门限(HD-FEC和SD-FEC)之内,体现出系统良好的误码率表现与调制兼容性。
此外,系统的全链路频率协调保障了发射端载波与接收端本地振荡的同步,确保零中频接收模式的稳定运行。该同步机制对于更高阶调制格式如16-QAM尤为关键,可避免频率偏差导致的信号失真和解调失败,使得系统具备向更高速率、更复杂信号调制方案升级的潜力。从而促进了通信网络向智能化、高效化和多功能化方向发展。 相较于传统无线通信硬件因频带分割刻板设计所带来的高复杂度、高能耗和系统冗余,薄膜铌酸锂基超宽带光子集成技术凸显了其极具优势的一体化特征。通过片上模块的高度集成,实现了对从微波到亚太赫兹的完整频段支持,极大地简化了硬件结构,降低了系统部署及维护成本。随着III-V半导体与TFLN异质集成技术的日益成熟,未来有望实现全激光器、光调制器、光探测器的高度集成,有效消除对光纤放大器等耗能器件的依赖,推动系统整体功耗的显著下降,满足大规模网络部署的能效需求。
不仅如此,该光子平台灵活的频谱管理功能可为人工智能介导的动态频谱分配提供硬件基础,支持AI原生无线网络架构,实现网络的自组织、自优化及自恢复。系统兼具通信与传感能力,为集成感知与通信(ISAC)方案提供了技术支撑,使未来无线网络不仅具备传输能力,还能实时感知环境,实现更加智能化的联网空间。 综上所述,基于薄膜铌酸锂的超宽带片上光子无线通信系统代表了未来无线技术发展的关键方向。它融合了宽频带、高稳定性、高集成度、实时频谱调控等多项先进特性,满足了6G及后续XG无线网络多场景全频谱应用的核心需求。随着更多元的光电集成工艺和优化设计的引入,这种全新硬件架构将在智能交通、远程医疗、扩展现实、工业互联网以及空间通信等诸多领域发挥巨大作用,塑造无线通信行业的新生态。未来,无线通信将不再拘泥于频谱碎片和硬件界限,而是通过柔性、可重构的光子集成技术,实现真正意义上的全频谱无缝覆盖和多维度智能服务,为全球连接的智慧社会奠定坚实的技术基石。
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