电子学院常林团队在光子芯片时钟领域取得重大进展
发布时间: 2025-03-10 14:06:44
2025年2月25日，电子学院常林研究员团队与中国科学院空天信息研究院李王哲研究员课题组合作，在Nature Electronics杂志在线发表了题为“Microcomb-synchronized optoelectronics”的研究文章，在世界上首次实现了光子芯片时钟在信息系统中的应用。该技术基于可量产的超低损耗氮化硅光子芯片，通过光学频率梳生成了高精度、低噪声的时钟信号，突破了传统电子芯片在时钟带宽、能耗和噪声等方面的性能瓶颈，为未来超高速芯片的发展提供了重要解决方案。
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在当今信息时代，电子系统对高速与宽带性能的需求呈爆发式增长。传统电子技术生成高频信号时问题重重，带宽窄、信号易失真、功耗高。在光电子系统里，光学合成信号和电子时钟的频率严重不匹配，导致同步困难。这不仅降低处理精度，还减慢信息传输速度。虽然之前也有同步策略，可大多需要额外硬件和复杂操作，难以广泛应用。为攻克这些难题，研究团队联合研发出基于片上微梳的振荡器，用于光电子系统同步。该振荡器结合集成超高Q值谐振器的微梳和自注入锁定技术，能合成覆盖从兆赫兹到105GHz的微波信号，给系统提供共享时频参考，让光学和电子信号自然同步。
研究团队进一步展示了基于该芯片的多波段通感一体系统，通过单一芯片实现了5G、6G、毫米波雷达等不同电磁波波段的多种功能，并可在传感和通信两种模式间灵活切换。这一创新设计不仅简化了硬件结构，还大幅降低了系统的复杂性和成本。该系统实现了厘米级别的感知精度，和调制格式高达256-QAM的6G通信。
光电系统时频同步策略
未来，这项技术有望在多个领域得到广泛应用。例如，在处理器芯片中，该方案可以将时钟频率提升至100G以上，提供远超目前芯片的算力；在手机基站中，它可以显著降低设备的能耗和成本；在自动驾驶领域，毫米波雷达的集成化设计将有助于提升感知精度和响应速度。该技术的突破将为通信和感知领域带来革命性的变化，推动相关行业的快速发展。
该论文的共同第一作者为北京大学电子学院博士后张祥鹏、博士研究生张绪光和陈玉君。常林、李王哲和加州大学圣巴巴拉分校John E. Bowers教授为论文的共同通讯作者。主要合作者还有北京大学电子学院王兴军教授，胡薇薇教授，博士后劳成昊，博士研究生周子璇、黄佳辉，加州大学圣巴巴拉分校Warren Jin博士，中国科学院空天信息研究院董婧雯副研究员、马尉超副研究员和刘宸钰一级助理研究员。该工作由北京大学电子学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室作为第一单位完成。
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