光子芯片时钟信号技术取得重大突破

张硕

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近日，北京大学电子学院与中科院空天信息研究院的研究团队合作，在光子芯片与时钟信号领域取得重要突破。相关成果已于2025年2月25日发表在国际知名期刊自然·电子学上，文章题为“Microcomb-synchronized optoelectronics”。该研究首次实现了光子芯片时钟在信息系统的实际应用。
研究人员利用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，有效解决了传统电子芯片在时钟带宽、能耗及噪声等方面存在的性能瓶颈，为超高速芯片的发展提供了关键技术路径。
传统电子技术在生成高频信号时，往往面临带宽有限、信号易失真以及功耗过高的问题。此外，在光电子系统中，光学合成信号与电子时钟频率的不匹配也导致同步困难。针对这些问题，研究团队开发了一种基于片上微梳的振荡器，结合集成超高Q值谐振器的微梳和自注入锁定技术，成功合成了覆盖从兆赫兹到105 GHz范围的微波信号。这种方案为系统提供了统一的时频参考，实现了光学与电子信号的自然同步。
在此基础上，研究团队还设计了一种多波段通感一体系统，通过单一芯片即可实现5G、6G、毫米波雷达等多种电磁波段的功能，支持通信与传感模式的灵活切换。这一创新不仅大幅简化了硬件结构，还显著降低了系统的复杂性和成本。测试结果表明，该系统具备厘米级的感知精度，并支持高达256-QAM调制格式的6G通信。
据北京大学电子学院透露，这项技术未来有望应用于多个领域。例如，在处理器芯片领域，可以将时钟频率提升至100G以上，大幅提高算力；在移动通信基站中，有助于降低设备能耗与成本；在自动驾驶领域，集成化的毫米波雷达设计能够进一步提升感知精度与响应速度。
此项研究成果标志着光子芯片技术在信息处理领域的重大进展，为下一代通信与计算技术的发展奠定了坚实基础。