光电融合革命！6G最大难题竟被这块小芯片解决

在过去二十年里，我们见证了无线通信一次又一次的跨越：从3G开启的“图片时代”，到4G的“视频时代”，再到5G引领的“万物互联时代”。如今，6G的脚步正悄然逼近，根据移动通信每十年一代的规律来看，业内普遍预计6G将在2030年前后商用落地。

但与以往不同，6G的目标不只是变得“更快”（将速率提升到Tbps级），而是要成为通信、感知、计算、AI、大数据、安全一体融合的新一代移动信息网络，真正的实现空天地海立体全域覆盖。全频段覆盖、超低时延、通信与感知一体化等将是6G的核心能力，但问题是遵循目前传统的技术路径，似乎很难走到那里。

纯电子与纯光学：各有极限

在低频段，电子技术是无可争议的王者。CMOS、GaAs、GaN器件在Sub-6 GHz乃至毫米波的中低段，都能提供成熟、低成本的射频前端。但一旦频率逼近100 GHz，物理极限就开始显现：器件的特征频率成为更进一步的天花板，倍频链带来的相位噪声像滚雪球一样放大，功耗和热管理问题也就接踵而至。

实测显示，倍频链每提升一级频率，相位噪声会劣化6–10dB，在100–300GHz，4–5级倍频链是目前比较常见的工程实现，而超过500GHz，纯电子倍频链往往需6级以上，他们的效率基本低到难以实用，更不要说倍频带来的巨大发热问题。

根据EDN电子技术设计2024年的报道“全球首款6G原型设备问世，无线技术新竞争已然开启”，可以看到6G原型机采用的均是传统的电子器件，制造出的原型机不但体积巨大，而且仅能覆盖100米的范围，虽然速率达标，但商用价值有限。

6G原型机测试

纯电子路径简单概括一下

• 优势：成熟度高、成本低、低频段性能好。

• 短板：高频段（>100 GHz）增益低、噪声大、功耗高；多频段需要多套硬件，体积和成本上升。

而如果仅从速率的角度出发的话，另一条路线，光通信几乎是“降维打击”。光纤和自由空间的光通信在带宽、损耗、相位噪声上的表现几乎无可挑剔，电光传输数据的速度可轻松超越Wi-Fi 100倍，卫星间激光链路已经在实验中跑出Tbps级的速率。但光链路对视距和环境条件的依赖，使它在移动终端、车载、无人机等场景下举步维艰，在地面场景尤其是城市场景中它极易受遮挡、天气影响，且终端对准要求非常高。除此以外，纯光学收发机在小型化、低功耗、低成本方面难以满足手机、车载等大规模部署需求，同时光学链路无法直接利用低频段（Sub-6 GHz）良好的覆盖特性，也无法直接与现有蜂窝网络无缝融合。

星地激光通信

概括一下纯光学路径

• 优势：带宽极大、损耗低、相位噪声极低。

• 短板：移动性差，易受遮挡、天气影响；终端小型化、低功耗难度大；无法直接利用低频段的广域覆盖。

光电融合：取长补短的唯一解？

那么第三条路就很明显了，把传统电子学的优势和光学的优势结合不就行了，用光子技术去解决电子在高频段的瓶颈，用电子技术去完成光子难以胜任的信号处理与控制上的短板。最近，北京大学与香港城市大学团队发表在《Nature》的工作，就是一个标志性案例。

他们在一块11×1.7毫米的薄膜铌酸锂（TFLN）芯片上，集成了宽带无线-光信号转换、可调谐低噪声载波/本振源产生以及数字基带调制等完整无线信号处理功能，可实时、快速生成0.5–115 GHz任意中心频率，实现了＞120 Gbps的高速无线传输，而且全频段性能一致。其跨越近8个倍频程的低噪声信号调谐性能，是迄今为止任何其他平台或技术方案均无法企及的里程碑式突破，而这正是未来6G网络自适应频谱管理所需的硬件基础。

超宽带光电融合集成技术赋能超宽带泛在接入无线网络示意图

所以从目前的实际案例成果来看，未来的6G网络，要同时吃到“低频覆盖”和“高频容量”两块蛋糕，还要硬件小、功耗低、可随时换频避干扰，纯电子或纯光学似乎都无法在物理、工程、经济三方面实现同步闭环，而光电融合可能就是未来6G落地唯一的可行解。

 责编：Ricardo