北京，2025年2月28日 – 北京大学电子学院与中国科学院空天信息研究院联合宣布，双方合作研发的光子芯片时钟技术取得突破性进展，首次在信息系统中实现应用。这项成果于2025年2月25日发表在国际顶级学术期刊《自然·电子》（Nature Electronics）上，标志着中国在光子芯片领域迈出了关键一步，为未来超高速、低功耗信息技术的发展开辟了新的道路。
光子芯片：信息技术的未来引擎
随着信息技术的飞速发展，传统电子芯片在带宽、能耗和噪声等方面面临日益严峻的挑战。光子芯片，作为一种利用光子而非电子进行信息处理的新型芯片，被认为是突破这些瓶颈的关键。光子具有速度快、带宽大、功耗低等优点，能够实现更高速度、更低能耗的信息传输和处理。
然而，光子芯片的研发和应用面临诸多技术难题，其中之一就是如何生成高精度、低噪声的时钟信号，并实现光电子系统的高效同步。传统电子时钟在频率、稳定性和功耗等方面难以满足光子芯片的需求。
突破性成果：微梳同步光电子技术
为了解决上述难题，北京大学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，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 105 GHz 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。
这项技术的关键在于利用光学频率梳（Microcomb）生成高精度、低噪声的时钟信号。光学频率梳是一种特殊的激光，其频谱由一系列离散的、等间距的频率组成，就像一把梳子一样。通过精确控制光学频率梳的频率间隔和相位，可以生成非常稳定和精确的时钟信号。
研究团队采用可量产的超低损耗氮化硅光子芯片，成功集成了光学频率梳发生器。这种芯片具有体积小、功耗低、易于大规模生产等优点，为光子芯片的实际应用奠定了基础。
技术细节：片上微梳振荡器
该研究的核心是基于片上微梳的振荡器。以下是该振荡器的一些关键技术细节：
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超高 Q 值谐振器： 谐振器是振荡器的核心部件，其 Q 值（品质因数）越高，振荡器的稳定性和噪声性能越好。研究团队采用先进的微纳加工技术，制备出超高 Q 值的氮化硅谐振器，显著提高了振荡器的性能。
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片上微梳： 微梳是生成高精度时钟信号的关键。研究团队通过精确设计和优化谐振器的参数，成功实现了片上微梳的生成。
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自注入锁定技术： 自注入锁定是一种提高振荡器稳定性的技术。研究团队将自注入锁定技术应用于片上微梳振荡器，进一步提高了时钟信号的精度和稳定性。
通过以上技术的综合应用，研究团队成功研制出高性能的片上微梳振荡器，为光电子系统提供了高精度、低噪声的时钟信号。
应用示范：多波段通感一体系统
为了验证该技术的实际应用价值，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。该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，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。
该应用示范表明，光子芯片时钟技术在通信、雷达、传感等领域具有广阔的应用前景。
未来展望：光子芯片的无限可能
北京大学电子学院表示，未来，这项技术有望在多个领域得到应用：
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处理器芯片： 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。这将极大地提升计算机的性能，为人工智能、大数据等领域的发展提供强大的计算能力。
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手机基站： 它可以降低设备的能耗和成本。随着 5G 和 6G 技术的普及，手机基站的数量将大幅增加，降低能耗和成本具有重要的经济和社会意义。
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自动驾驶： 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。自动驾驶汽车需要精确感知周围环境，毫米波雷达是重要的传感器之一。光子芯片技术可以提高毫米波雷达的性能，从而提升自动驾驶的安全性。
这项研究成果不仅为光子芯片技术的发展开辟了新的道路，也为中国在信息技术领域实现自主创新提供了重要的支撑。
专家解读
“这项研究成果是光子芯片领域的一个重要里程碑，”一位不愿透露姓名的业内专家表示，“它解决了光子芯片时钟的难题，为光子芯片的实际应用奠定了基础。未来，随着光子芯片技术的不断发展，我们有望看到更多基于光子芯片的创新应用。”
另一位专家指出，该研究成果的意义不仅在于技术上的突破，更在于它展示了光子芯片在信息技术领域的巨大潜力。“光子芯片具有速度快、带宽大、功耗低等优点，有望取代传统电子芯片，成为未来信息技术的核心。”
挑战与机遇
尽管光子芯片技术前景广阔，但也面临诸多挑战。例如，光子芯片的制造成本仍然较高，大规模生产仍然存在困难。此外，光子芯片的设计和测试也需要新的工具和方法。
然而，这些挑战也带来了机遇。随着技术的不断进步和市场的不断扩大，光子芯片的制造成本将逐渐降低，设计和测试工具也将不断完善。未来，光子芯片有望成为信息技术领域的主流技术。
结论
中国在光子芯片时钟技术上取得的突破，标志着中国在光子芯片领域迈出了坚实的一步。这项成果不仅具有重要的科学意义，也具有重要的经济和社会意义。未来，随着光子芯片技术的不断发展，我们有望看到更多基于光子芯片的创新应用，为人类社会带来更加美好的未来。
参考文献
- Chang, L., Wang, Z., et al. Microcomb-synchronized optoelectronics. Nature Electronics, 2025. DOI: https://www.nature.com/articles/s41928-025-01349-7
致谢
感谢北京大学电子学院和中国科学院空天信息研究院提供的资料和信息。
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