最近，北京大學與中國科學院空天信息創新研究院團隊合作，首次開發了一種利用芯片光頻梳為光本振的新型光電時鐘同步系統方案，合成了頻率擴展至太赫茲的任意信號，並構建了微波光子多波段通感一體驗證系統。
該論文共同通訊作者、北京大學研究員常林表示：「我們的方法利用光時鐘技術，可以直接產生超過 100ghz 的主頻時鐘信號，並實現整個系統的同步。這不僅極大地提升了系統便利性和功能擴展能力，還具備低噪聲、高穩定性和低功耗的特點。」
這種集成化方案不僅大幅降低了成本和功耗，還提升了系統的性能和靈活性，有望應用於 6g 通信、空天遙感、量子計算、ai 計算等領域。該研究不僅為光與電之間的統一時頻參考開闢了新途徑，還為通信和感知系統的未來發展提供了新的方向。
近日，相關論文以《微梳同步光電系統》（microcomb-synchronized optoelectronic system）為題發表在 nature electronics[1]。
北京大學博士後、中國科學院空天信息創新研究院畢業博士生張祥鵬，以及北京大學博士生張緒光和陳玉君是共同第一作者，北京大學常林研究員團隊與中國科學院空天信息創新研究院李王哲研究員課題組聯合開發了相關技術。
圖丨相關論文（來源：nature electronics）
此前，無線通信和傳感通常需要使用不同的頻率來實現各種功能。例如，手機的 4g、5g 甚至未來 6g 通信，以及不同平台上的不同頻率的微波感知系統。
傳統方法中，為了產生並處理這些不同的頻率，需要為每個頻率使用專門的電子芯片及外圍處理鏈路，頻率間的相參性由統一系統時鐘保證。
然而， 基於傳統電芯片的時鐘方案存在諸多挑戰，例如從低頻到高頻需要經過多步信號處理，這不僅消耗大量功率，還會產生較高的熱量。此外，它還存在噪聲較大、成本高、體積大等缺點。
在該研究中，研究人員通過光芯片技術極大地提高了系統的集成化程度。基於單一芯片，可以直接合成超大帶寬內不同頻率的時鐘信號，用一顆芯片解決通信、感知、計算等不同系統的問題。
通過共享硬件，實現了微波通信和感知系統的融合，能夠在不同電磁頻段上執行多種功能，如微波成像、目標檢測和高速數據傳輸。這種方法不僅大大提高了集成化程度，還綜合了多種功能，形成了一個更高效、更緊湊的系統。
圖丨光電系統的時頻策略（來源：nature electronics）
常林指出，該系統的通信調製格式可以達到很高的複雜度，不僅能夠支持現有 4g、5g 通信，還可以支持未來更複雜的 6g 通信編碼。而且，只需要一顆輸出功率不到 20 毫瓦的激光器芯片，就能產生 100ghz 的信號，這在過去是很難實現的。
歷時三年的研究中，研究團隊面臨大量的參數調測和精密的芯片測試，利用有限的設備、場地條件，通過克服困難以及夜以繼日的反覆攻關，持續投入時間和精力改善測試條件、優化測試環境，最終實現了芯片的高性能工作。
張祥鵬表示：「正是在這個過程中，我們學到了很多新方法，發現了新現象和新機制，也磨礪了我們的科研鬥志。」
圖丨從左至右依次為：張祥鵬、張緒光和陳玉君（來源：張祥鵬）
這項技術具有通用性，能夠為涉及光與電技術的系統帶來顯著提升。其最直接的應用領域是無線通信和感知，包括未來的 6g、太赫茲通信，以及車載毫米波頻段感知等。
此外，這項技術在量子時頻等領域也具有廣泛的應用前景。對於量子計算而言，高頻時鐘能夠簡化複雜設備、降低成本，並確保信息處理過程中各個部分的同步，從而為量子計算提供更高效和更經濟的解決方案。
同時，該技術打破了傳統主頻時鐘的限制，能夠將時鐘頻率提升至少兩個數量級。這意味着在單位時間內可以顯著增加計算次數，從而極大提升計算效率。更長遠地來看，高頻時鐘信號配合電芯片共同完成相關功能，有望驅動速度更快的 ai 計算，從而提升 ai 模型的訓練和推理效率。
現階段，該課題組已經成功開發出光子芯片系統的批量化加工工藝，能夠在 8 英寸晶圓上直接生產成千上萬個相同的時鐘芯片，並且能夠對外提供完全封裝的器件，供用戶直接使用。
圖丨基於微梳子的振蕩器和頻率合成器（來源：nature electronics）
與傳統能夠產生 100ghz 時鐘信號的電子芯片相比，光芯片時鐘技術直接在片上集成高頻信號生成模塊，採用了硅光大規模量產工藝，類似於目前光模塊中所用的芯片技術。
張祥鵬表示：「光電調製器等變頻鏈路的片上集成，將大幅節省傳統方案中複雜的組裝和耦合成本。隨着後續量產規模的擴大，我們估計成本有望降低 10 倍以上。」
目前，該課題組在無線通信和感知領域已經開展了一系列實驗，並計划進一步拓展到更多光與電相關的應用領域，例如 ai 計算等。此外，他們還將繼續解決相關工程化問題，例如將芯片製成穩定的產品、優化封裝工藝等。
參考資料：
1.zhang, x., zhang, x., chen, y. et al. microcomb-synchronized optoelectronics.nature electronics(2025). https://doi.org/10.1038/s41928-025-01349-7
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