电子学院常林团队在结构微波维度操控和通感一体应用领域取得重大进展
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2026年3月4日，北京大学电子学院常林团队与合作者在《自然·光子学》（Nature Photonics）在线发表题为“Full dimensional control of structured microwaves based on microcombs”的研究文章。该团队创新性地利用集成微腔光梳驱动微波光子天线阵列实现结构微波全维度协同控制，并基于此进行通感一体化应用，通过多维度协同复用将6G信道速率提升30倍，同时实现四维高效信息感知。这一成果为6G通信、高精度感知以及量子计算等领域开辟了全新的发展路径。
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结构化电磁波，即具有定制化空间、时间、偏振态、幅相等维度的电磁场，近年来因其在通信、感知、成像等领域的广阔应用前景而备受关注。在光波段，结构光的研究已臻成熟，广泛应用于超分辨成像、光镊、量子信息处理等前沿领域。然而，在适用于无线通信和雷达探测的微波波段，结构化电磁波的操控仍面临巨大挑战。这主要源于微波频段器件尺寸大、调控维度单一，传统方法难以实现像光域那样精细的多维度协同控制。每个维度的调控往往需要专门的微波器件，且频谱范围受限，导致系统复杂、灵活性差且成本高昂。因此，如何在微波波段突破现有器件局限，实现高效、灵活的全维度电磁波调控，已成为当前研究的热点和难点，对推动下一代无线通信、高分辨率成像和智能感知等领域具有重大战略意义。
微腔光梳驱动结构微波全维度控制构架
针对上述难题，研究团队创新性地借用集成微腔光梳驱动微波光子相控阵，设计并实现了一套结构微波全维度可软件定义光控系统。该系统通过将光梳产生的大量相干光载波在一套可程控的光信号处理器中进行波长分组、信号调制、光域处理等过程，建立了多个并行的光信号处理通道。这些光信号经光电转换恢复微波信号并被馈入后面的天线阵中。在这过程中，通过特殊设计的光路由方式将每个光通道和对应的微波维度映射起来，那么就可以借用对光波成熟、精细的操控手段实现对微波各维度的控制。
涡旋微波二维场以及模式纯度和串扰
通感一体化系统实验链路
此项工作以微波的轨道角动量维度为基础，实现了15个模式（-7到+7）的高纯度涡旋微波的生成和多模复用。接下来对这些涡旋微波进行宽带频谱操控、高速模式切换、辐射方向偏转、极化态调控，实现了对幅相、频率、时间、空间、极化维度的协同控制，同时对光梳工作状态进行扰动，验证了维度控制的稳定性。之后构建自旋角动量和轨道角动量空间张量积的庞加莱球，在球的各顶点处实现对应的波束产生，验证对微波各维度的混合控制。在应用层面，搭建了通感一体化系统，实现了210Gbit/s的超大通信容量和包括距离项、方位项、转动、微动在内的四维信息感知能力。在某种角度上来说，此项工作构建了一个控制微波活动的光学“游戏手柄”，给出了操控对应维度的“控制按钮”，使得人们可以通过操控这个光学“手柄”打出特定“组合技”，实现定制化微波辐射场的生成。
未来，这项工作将为下一代通感应用领域提供一套超紧凑、智能化平台。还有机会在更多的领域展现应用价值，比如为囚禁离子计算机中操控量子比特提供精确定制的电磁场、为传感提供大规模并行结构化微波模式以促进超越衍射极限的超分辨率成像等。
该论文的共同第一作者为北京大学电子学院出站博士后宋锡耀（现南开大学智能光子研究院副研究员）、张祥鹏（现中国科学院物理研究所副研究员），北京邮电大学理学院高欣璐副教授和北京大学物理学院博士后王泽。常林、北京大学电子学院副教授李艳萍、北京大学物理学院研究员杨起帆、北京邮电大学教授黄善国和中国科学院空天信息创新研究院研究员李王哲为共同通讯作者。主要合作者还包括北京大学电子学院教授陈章渊、吴建军，博士生涂增基、周子璇，北京大学物理学院博士生倪博、许天宇，北京邮电大学副教授郑桢楠、博士生蔡嘉桢，中国科学院空天信息创新研究院副研究员董靖雯、助理研究员李商洋、博士生黄佳洁。该工作由北京大学电子学院光子传输与通信重点实验室作为第一单位完成。该研究得到了北京市自然科学基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市科学技术委员会、中关村科技园区管理委员会、国家杰出青年科学基金以及北京邮电大学自主科研项目等的大力支持。
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