这一成果不仅将芯片上的时间调控速度提升了 100 倍，时钟频率突破100GHz，还为未来智能计算、6G 通信、空天遥感等一系列现实应用的性能提升提供了强大支持。
在芯片技术的赛道上，中国科研团队再次取得重大突破。北京大学常林研究团队携手中国科学院空天信息创新研究院，成功开发出世界首款光子时钟芯片，相关成果以《微梳同步光电系统》（Microcomb-synchronized optoelectronic system）为题发表于2025年2月25日发表在《自然・电子学》（Nature Electronics）。
北京大学博士后、中国科学院空天信息创新研究院毕业博士生张祥鹏，以及北京大学博士生张绪光和陈玉君是共同第一作者，北京大学常林研究员团队与中国科学院空天信息创新研究院李王哲研究员课题组联合开发了相关技术。
从左至右依次为：张祥鹏、张绪光和陈玉君（来源：张祥鹏）
这一成果不仅将芯片上的时间调控速度提升了 100 倍，时钟频率突破100GHz，还为未来智能计算、6G 通信、空天遥感等一系列现实应用的性能提升提供了强大支持。标志着中国在光子芯片领域实现从“追赶”到“领跑”的跨越。
传统困境与光子时钟的破局之姿
芯片的信息处理能力与时间调控的速度和精准度紧密相连，而传统芯片在这方面正面临诸多瓶颈。
以往，传统芯片为实现高速信息处理，多依赖电子振荡器产生时钟信号，但该方案存在明显弊端：速度难以满足日益增长的需求，同时消耗大量功率，产生的高热量还可能影响芯片的稳定性和使用寿命。更为棘手的是，一颗传统芯片通常仅能产生特定频率范围的时钟，这使得 6G 通信、车载毫米波雷达、GPU 等不同应用领域，需要截然不同的芯片制造技术，极大地增加了芯片的研发和生产成本。
光电系统的时频策略（来源：Nature Electronics）
此次研发的光子时钟芯片则另辟蹊径，“以光为媒” 产生时钟信号。光的传播速度远快于电子，这一天然优势让光子时钟在处理信息时，速度远超电子时钟。常林研究团队通过对 “光频梳” 技术的创新性 “改造”，成功攻克了光子时钟芯片的技术难题。
基于微梳子的振荡器和频率合成器（来源：Nature Electronics）
过去，“光频梳” 技术依赖昂贵的进口设备，一台设备售价高达几百万元，严重限制了相关研究和应用的发展。如今，团队将光频梳设备功能集成至氮化硅光子芯片，在芯片上构建形似跑道的环，光在其中以光速循环，每一圈的时间成为片上时钟的精准标准，这个时间极短，仅为 1 秒的几十亿分之一，功耗仅为电子时钟的1/10，且信号噪声降低90%，解决了传统芯片发热高、带宽窄的痼疾。
卓越性能带来多元应用前景
光子时钟芯片的诞生，为众多领域带来了革命性的变化。
在通信领域，从 5G 迈向 6G 甚至更高速通信时代，设备对于时钟频率的要求愈发严苛。传统模式下，每一次通信技术升级，都意味着手机等终端硬件的更新换代，成本高昂且资源浪费严重。而光子时钟芯片凭借其强大的性能，仅用一个芯片就能覆盖目前所有微波频段的时钟，这意味着它可以无缝支持从 5G 到 6G 及更高速度的手机通信，让用户摆脱频繁更换硬件的困扰，推动通信行业向更高效率、更低成本的方向发展。
据悉，实验系统已实现256-QAM调制格式的6G通信，并集成厘米级精度的感知功能，未来可应用于通感一体基站，实现通信与雷达探测的无缝切换；手机终端无需更换硬件即可支持从5G到6G的平滑过渡，用户换机周期有望延长至5年以上；手机基站采用该技术后，设备体积可缩小30%，能耗降低40%。
在计算领域，光子时钟芯片的优势同样显著。目前，CPU 和 GPU 的主频大多在 2 - 3GHz，而光子时钟芯片实现的时钟频率已超过 100GHz。更高的主频意味着在更短的时间内能够完成更多的计算任务，相同时间内计算次数增加50倍，为AI大模型训练、实时决策系统提供底层支撑。人工智能的训练和推理需要海量的数据处理和复杂的算法运算，光子时钟芯片的高主频特性，将加速人工智能模型的训练速度，提升其运行效率，助力人工智能技术实现更大的突破。
在空天遥感领域，对数据处理的速度和精准度要求极高。光子时钟芯片超高速的时间调控能力，能够快速处理大量的遥感数据，提高图像分辨率和数据传输效率，让空天遥感设备获取更精确、更及时的信息，为资源勘探、环境监测、气象预测等提供有力支持。
科研创新推动行业发展
此次光子时钟芯片的成功研制，是我国科研团队长期深耕、不断创新的成果。北京大学常林研究团队与中国科学院空天信息创新研究院的紧密合作，整合了双方在光学、电子学、芯片制造等多领域的专业优势，攻克了一系列技术难关。这一成果不仅彰显了我国在芯片技术领域的创新实力，也为全球芯片行业的发展提供了新的思路和方向。
当前全球光子芯片研发中，美国Ayar Labs、日本NTT等企业聚焦光互连技术，而中国在光子时钟领域率先实现工程化突破，或催生新一代“中国标准”。不过光子芯片在从实验室走向市场，还存在“最后一公里”的挑战：
- 工艺适配：光子芯片需与现有硅基电子芯片协同工作，光电子混合集成技术仍需突破；
- 供应链重构：氮化硅光子芯片的规模化生产依赖国产光刻机与材料工艺升级；
- 生态壁垒：国际巨头可能通过专利围堵或技术标准排斥中国方案。
常林团队透露，下一步将联合华为、中芯国际等企业建立光子芯片创新联盟，推动技术商业化落地。未来，或许会有更多基于光子技术的芯片产品问世，推动智能计算、通信、遥感等领域实现跨越式发展。同时，这一突破也激励着更多科研人员投身于芯片技术的研发，为我国在全球科技竞争中赢得更多的话语权。
- 媒体.把科技人员的名单报得这么清楚是笔名吗？要好好的保护他们还有照片？
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