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”）为题论文发表于《SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy》期刊（IF=7.5，中科院一区）；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”）为题论文发表于《Communications Physics》期刊（IF=5.8，中科院一区）；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”）为题论文发表于《Chinese Physics Letters》期刊（IF=4.2，中科院一区）。
一、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？我们对此进行了系统性的研究，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。
相关成果：1.中科院SCI一区论文 Chinese Physics Letters 42, 100404 (2025)；2. 中科院SCI二区top期刊Phys. Rev. B 111, 035420 (2025).
电压调制的工作原理
二、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，我们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，我们实现了高速无线通信。我们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，我们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，我们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，我们成功演示了空分复用（SDM）。具体而言，我们实现了双通道（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。
相关成果：1. 中科院SCI一区论文Communications Physics 8, 490 (2025).
三、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，我们发展并完善了三大理论体系：1.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；2.传输矩阵（Transfer Matrix）法，用于计算STC的能带结构并分析Floquet-Bloch模式；3.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我们逆向设计复杂功能、精准预测系统性能提供了强有力的支撑。
在硬件平台上，我们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，我们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。这意味着我们的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。
相关成果： 1. 中科院SCI二区top期刊Phys. Rev. Applied 24, 044004 (2025)；2. 中科院SCI一区期刊Science China Physics, Mechanics & Astronomy
总结与展望
我们的研究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。我们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。未来，我们将继续致力于推动这一技术的集成化、芯片化和产业化，迈向更高频段、更宽带宽和更智能化的动态控制，为构建万物智联的6G未来世界贡献核心力量。
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