近日，光电学院庄松林院士光学团队程庆庆副教授发表了系列研究工作，致力于提升光信息传输的并行处理能力与效率，使多路光信号能够无阻塞地高效“奔跑”。 以“时空晶体中的角度分辨多模式调控”（Angle-resolved multimode engineering in spacetime crystals）为题发表于《中国科学: 物理学 力学 天文学》（SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy）期刊； 以“时空晶体工程：实现高码率传输的无边带辐射”（Spacetime crystals engineering sideband-free radiation for high-rate transmission）为题发表于《通讯·物理》（Communications Physics）； 以“合成频率晶格中光谱演化的时域脉冲调控”（Temporal Pulse Engineering of Spectral Evolution in a Synthetic Frequency Lattice）为题发表于《中国物理快报》（Chinese Physics Letters》期刊。三篇论文均为上海理工大学为第一单位，第一作者分别是博士生姜振宇、硕士生章晨和博士生庄境坤。
机理深度探索：时域脉冲与光频梳的相互作用
时空矩阵的周期性调制在带来功能融合的同时，也引入了一个新的科学问题：调制过程不可避免地会催生光频梳（Optical Frequency Comb）。这就引出了一个深刻的机理问题：当入射的电磁波是脉冲信号时，其脉冲宽度Δt与调制周期T之间的相互作用机制是怎样的？这种相互作用会对输出频谱产生何种影响？研究团队对此进行了系统性的探索，发现了三种截然不同的频谱演化机制，分别类似于介观激光加速器（DLA）中的电子加速过程；以及与光诱导近场电子显微镜（PINEM）中的电子-光子耦合现象高度相似。
这项研究为未来6G在太赫兹等更高频段驾驭超宽带复杂信号、抑制干扰、实现精准频谱整形提供了关键的理论模型，确保了技术在6G复杂信道下的鲁棒性。
系统应用：从片上高速通信到空间多用户复用
基于对物理机理的深刻理解，研究团队成功将这项基础创新推向了一系列创新性的系统级集成。首先，实现了高速无线通信。团队将波包替换成带有正交幅度调制（QAM）编码的通信信号，通过将信息映射到STC矩阵的幅值和初始相位上，在接收端成功实现了高速解调。实验验证了在指定辐射方向上进行16QAM调制的可行性，其误差向量幅度低，充分验证了该方案作为通信发射机的可靠性。
更具特色的是，团队实现了空间多角度复用技术，这是提升6G频谱效率和连接密度的关键技术。得益于离散电极对电磁波波矢量的精准调控能力，团队设计的器件天然兼具片上导波与自由空间辐射两种能力。通过设计包含多个空间频率分量的STC矩阵，成功演示了空分复用（SDM）。具体而言，实现了双通道（例如，通道1传输16QAM信号，同时通道2传输QPSK信号）信息的同步传输与独立接收，且信道间串扰极低。这证明了单一器件即可作为多用户无线通信的基站核心，为6G实现高效的“空间多用户接入”和“无线光纤”般的精准互联提供了芯片级解决方案，是支撑“全域覆盖”和“普惠智能”的关键演示。
理论与硬件协同：构建完整技术生态
为确保这一颠覆性技术从理论设想走向工程实现，团队在底层理论模型和核心硬件平台上进行了同步创新，构建了完整的技术生态。在理论工具上，发展并完善了三大理论体系：平面波展开（Plane Wave Expansion）法，用于分析时空周期结构中的谐波分布；传输矩阵（Transfer Matrix）法，用于计算STC的能带结构并分析Floquet-Bloch模式；耦合模理论（Coupled-Mode Theory），用于量化合成频率维度中模态间的能量交换与演化。这些多层次的理论工具为逆向设计复杂功能、精准预测系统性能提供了强有力的支撑。
在硬件平台上，团队还自主研发了多通道高精度调控电源系统，解决了大量PIN二极管快速切换的同步驱动难题，确保了时空编码矩阵的高速、稳定执行。同时，基于通用软件无线电外设（USRP）搭建了完整的通信全链路验证平台。这意味着光子芯片不再是固定功能的硬件，而是可通过软件定义、智能算法实时优化的“智能材料”，为构建具有自配置、自优化能力的“内生智能”6G网络基础设施提供了硬件原型。
研究团队的工作始于一个简单的物理思想（离散电极），逐步发展出一个从底层器件创新、到物理机理探索、再到系统应用实现，并有理论与硬件强力支撑的完整技术闭环。这项研究不仅解决了光子集成中的长期瓶颈，更重要的是催生出了“时空晶体（STC）”和“多色时空调制”等一系列新概念。团队演示了其在高速通信、空分复用、波束成形等方面的巨大潜力，为6G的通感一体、空天地海一体化网络、内生智能等核心愿景提供了全新的芯片级技术路径。
电压调制的工作原理
论文原理图
文章链接：[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
