2025年2月25日，北京大學(xué)電子學(xué)院常林研究員團(tuán)隊與中國科學(xué)院空天信息研究院李王哲研究員課題組合作，在Nature Electronics雜志在線發(fā)表了題為“Microcomb-synchronized optoelectronics”的研究文章，在世界上首次實現(xiàn)了光子芯片時鐘在信息系統(tǒng)中的應(yīng)用。該技術(shù)基于可量產(chǎn)的超低損耗氮化硅光子芯片，通過光學(xué)頻率梳生成了高精度、低噪聲的時鐘信號，突破了傳統(tǒng)電子芯片在時鐘帶寬、能耗和噪聲等方面的性能瓶頸，為未來超高速芯片的發(fā)展提供了重要解決方案。

文章截圖

在當(dāng)今信息時代，電子系統(tǒng)對高速與寬帶性能的需求呈爆發(fā)式增長。傳統(tǒng)電子技術(shù)生成高頻信號時問題重重，帶寬窄、信號易失真、功耗高。在光電子系統(tǒng)里，光學(xué)合成信號和電子時鐘的頻率嚴(yán)重不匹配，導(dǎo)致同步困難。這不僅降低處理精度，還減慢信息傳輸速度。雖然之前也有同步策略，可大多需要額外硬件和復(fù)雜操作，難以廣泛應(yīng)用。為攻克這些難題，研究團(tuán)隊聯(lián)合研發(fā)出基于片上微梳的振蕩器，用于光電子系統(tǒng)同步。該振蕩器結(jié)合集成超高Q值諧振器的微梳和自注入鎖定技術(shù)，能合成覆蓋從兆赫茲到105GHz的微波信號，給系統(tǒng)提供共享時頻參考，讓光學(xué)和電子信號自然同步。

研究團(tuán)隊進(jìn)一步展示了基于該芯片的多波段通感一體系統(tǒng)，通過單一芯片實現(xiàn)了5G、6G、毫米波雷達(dá)等不同電磁波波段的多種功能，并可在傳感和通信兩種模式間靈活切換。這一創(chuàng)新設(shè)計不僅簡化了硬件結(jié)構(gòu)，還大幅降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。該系統(tǒng)實現(xiàn)了厘米級別的感知精度，和調(diào)制格式高達(dá)256-QAM的6G通信。

光電系統(tǒng)時頻同步策略

未來，這項技術(shù)有望在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，在處理器芯片中，該方案可以將時鐘頻率提升至100G以上，提供遠(yuǎn)超目前芯片的算力；在手機(jī)基站中，它可以顯著降低設(shè)備的能耗和成本；在自動駕駛領(lǐng)域，毫米波雷達(dá)的集成化設(shè)計將有助于提升感知精度和響應(yīng)速度。該技術(shù)的突破將為通信和感知領(lǐng)域帶來革命性的變化，推動相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展。

該論文的共同第一作者為北京大學(xué)電子學(xué)院博士后張祥鵬、博士研究生張緒光和陳玉君。常林、李王哲和加州大學(xué)圣巴巴拉分校John E. Bowers教授為論文的共同通訊作者。主要合作者還有北京大學(xué)電子學(xué)院王興軍教授，胡薇薇教授，博士后勞成昊，博士研究生周子璇、黃佳輝，加州大學(xué)圣巴巴拉分校Warren Jin博士，中國科學(xué)院空天信息研究院董婧雯副研究員、馬尉超副研究員和劉宸鈺一級助理研究員。該工作由北京大學(xué)電子學(xué)院區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室作為第一單位完成。