近日，光電學院莊松林院士光學團隊程慶慶副教授發(fā)表了系列研究工作，致力于提升光信息傳輸?shù)牟⑿刑幚砟芰εc效率，使多路光信號能夠無阻塞地高效“奔跑”。 以“時空晶體中的角度分辨多模式調控”（Angle-resolved multimode engineering in spacetime crystals）為題發(fā)表于《中國科學: 物理學 力學 天文學》（SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy）期刊； 以“時空晶體工程：實現(xiàn)高碼率傳輸?shù)臒o邊帶輻射”（Spacetime crystals engineering sideband-free radiation for high-rate transmission）為題發(fā)表于《通訊·物理》（Communications Physics）； 以“合成頻率晶格中光譜演化的時域脈沖調控”（Temporal Pulse Engineering of Spectral Evolution in a Synthetic Frequency Lattice）為題發(fā)表于《中國物理快報》（Chinese Physics Letters》期刊。三篇論文均為上海理工大學為第一單位，第一作者分別是博士生姜振宇、碩士生章晨和博士生莊境坤。

機理深度探索：時域脈沖與光頻梳的相互作用

時空矩陣的周期性調制在帶來功能融合的同時，也引入了一個新的科學問題：調制過程不可避免地會催生光頻梳（Optical Frequency Comb）。這就引出了一個深刻的機理問題：當入射的電磁波是脈沖信號時，其脈沖寬度Δt與調制周期T之間的相互作用機制是怎樣的？這種相互作用會對輸出頻譜產(chǎn)生何種影響？研究團隊對此進行了系統(tǒng)性的探索，發(fā)現(xiàn)了三種截然不同的頻譜演化機制，分別類似于介觀激光加速器（DLA）中的電子加速過程；以及與光誘導近場電子顯微鏡（PINEM）中的電子-光子耦合現(xiàn)象高度相似。

這項研究為未來6G在太赫茲等更高頻段駕馭超寬帶復雜信號、抑制干擾、實現(xiàn)精準頻譜整形提供了關鍵的理論模型，確保了技術在6G復雜信道下的魯棒性。

系統(tǒng)應用：從片上高速通信到空間多用戶復用

基于對物理機理的深刻理解，研究團隊成功將這項基礎創(chuàng)新推向了一系列創(chuàng)新性的系統(tǒng)級集成。首先，實現(xiàn)了高速無線通信。團隊將波包替換成帶有正交幅度調制（QAM）編碼的通信信號，通過將信息映射到STC矩陣的幅值和初始相位上，在接收端成功實現(xiàn)了高速解調。實驗驗證了在指定輻射方向上進行16QAM調制的可行性，其誤差向量幅度低，充分驗證了該方案作為通信發(fā)射機的可靠性。

更具特色的是，團隊實現(xiàn)了空間多角度復用技術，這是提升6G頻譜效率和連接密度的關鍵技術。得益于離散電極對電磁波波矢量的精準調控能力，團隊設計的器件天然兼具片上導波與自由空間輻射兩種能力。通過設計包含多個空間頻率分量的STC矩陣，成功演示了空分復用（SDM）。具體而言，實現(xiàn)了雙通道（例如，通道1傳輸16QAM信號，同時通道2傳輸QPSK信號）信息的同步傳輸與獨立接收，且信道間串擾極低。這證明了單一器件即可作為多用戶無線通信的基站核心，為6G實現(xiàn)高效的“空間多用戶接入”和“無線光纖”般的精準互聯(lián)提供了芯片級解決方案，是支撐“全域覆蓋”和“普惠智能”的關鍵演示。

理論與硬件協(xié)同：構建完整技術生態(tài)

為確保這一顛覆性技術從理論設想走向工程實現(xiàn)，團隊在底層理論模型和核心硬件平臺上進行了同步創(chuàng)新，構建了完整的技術生態(tài)。在理論工具上，發(fā)展并完善了三大理論體系：平面波展開（Plane Wave Expansion）法，用于分析時空周期結構中的諧波分布；傳輸矩陣（Transfer Matrix）法，用于計算STC的能帶結構并分析Floquet-Bloch模式；耦合模理論（Coupled-Mode Theory），用于量化合成頻率維度中模態(tài)間的能量交換與演化。這些多層次的理論工具為逆向設計復雜功能、精準預測系統(tǒng)性能提供了強有力的支撐。

在硬件平臺上，團隊還自主研發(fā)了多通道高精度調控電源系統(tǒng)，解決了大量PIN二極管快速切換的同步驅動難題，確保了時空編碼矩陣的高速、穩(wěn)定執(zhí)行。同時，基于通用軟件無線電外設（USRP）搭建了完整的通信全鏈路驗證平臺。這意味著光子芯片不再是固定功能的硬件，而是可通過軟件定義、智能算法實時優(yōu)化的“智能材料”，為構建具有自配置、自優(yōu)化能力的“內生智能”6G網(wǎng)絡基礎設施提供了硬件原型。

研究團隊的工作始于一個簡單的物理思想（離散電極），逐步發(fā)展出一個從底層器件創(chuàng)新、到物理機理探索、再到系統(tǒng)應用實現(xiàn)，并有理論與硬件強力支撐的完整技術閉環(huán)。這項研究不僅解決了光子集成中的長期瓶頸，更重要的是催生出了“時空晶體（STC）”和“多色時空調制”等一系列新概念。團隊演示了其在高速通信、空分復用、波束成形等方面的巨大潛力，為6G的通感一體、空天地海一體化網(wǎng)絡、內生智能等核心愿景提供了全新的芯片級技術路徑。

電壓調制的工作原理論文原理圖

文章鏈接：[1] https://doi.org/10.1088/0256-307X/42/10/100404

[2] https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.035420

[3]https://doi.org/10.1038/s42005-025-02395-5

[4] https://doi.org/10.1103/xmg5-cbl2

[5] https://doi.org/10.1007/s11433-025-2865-3