512Gbps光纖 + 400Gbps太赫茲！超寬帶光子芯片打通6G最后一公里

在萬物互聯(lián)和6G時代加速到來的背景下，通信系統(tǒng)正同時面臨兩個前所未有的挑戰(zhàn)：一方面，數(shù)據(jù)中心與算力網(wǎng)絡對單通道速率和帶寬密度的需求持續(xù)攀升；另一方面，移動終端、衛(wèi)星通信與遠程場景又要求無線鏈路具備更高頻、更寬帶、更低時延的能力。然而，光纖通信與無線通信在信號架構(gòu)與器件帶寬上的天然差異，使兩者之間長期存在“帶寬鴻溝”，難以實現(xiàn)真正無縫、無阻塞的融合。這一結(jié)構(gòu)性矛盾，正成為構(gòu)建高吞吐、低延遲統(tǒng)一通信網(wǎng)絡的關(guān)鍵瓶頸。

今日，北京大學王興軍教授、舒浩文助理教授聯(lián)合鵬城實驗室余少華院士和上?？萍即髮W陳佰樂副教授共同提出并驗證了一種基于超寬帶（UWB）集成光子學的光纖—無線共享帶寬架構(gòu)。該系統(tǒng)依托帶寬超過250 GHz的電—光（EO）與光—電（OE）器件，并結(jié)合自研的complex-biGRU算法，實現(xiàn)了單通道512 Gbps光纖傳輸和400 Gbps太赫茲無線傳輸?shù)耐黄疲瑫r完成了覆蓋138–223 GHz的86路8K視頻實時傳輸演示，為構(gòu)建高密度、低時延、可擴展的新一代通信網(wǎng)絡奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)成果以“Integrated photonics enabling ultra-wideband fibre–wireless communication”為題發(fā)表在《Nature》上，張云皓, 舒浩文, 郭藝君, Peiqi Zhou, Luyu Wang為共同第一作者。

從系統(tǒng)層面來看，圖1展示了這一“全光超寬帶通信藍圖”。在圖1中，研究人員勾勒出一個統(tǒng)一的光纖—無線融合網(wǎng)絡：數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的高速互連、基站前傳、衛(wèi)星通信以及無線接入節(jié)點，都依托同一套超寬帶集成光子器件完成信號的生成、調(diào)制、上變頻與下變頻。與傳統(tǒng)依賴電本振倍頻和頻率混頻的方案不同，這一架構(gòu)通過光學方式完成頻率轉(zhuǎn)換，有效規(guī)避了電學帶寬受限與噪聲累積的問題，實現(xiàn)真正的共享頻譜與透明中繼，為“無擁塞傳輸”提供了硬件基礎(chǔ)。

圖1：超寬帶集成光子學支撐的光纖—無線融合通信總體架構(gòu)示意圖。

真正支撐這一宏大構(gòu)想的，是兩枚核心器件：薄膜鈮酸鋰調(diào)制器與改進型UTC光電探測器。圖2a–c給出了TFLN調(diào)制器的結(jié)構(gòu)與性能表征。器件采用慢波電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化電光速度匹配，在110–220 GHz頻段內(nèi)展現(xiàn)出平坦響應，實測3 dB帶寬超過220 GHz，外推可達約260 GHz（圖2c）。值得注意的是，其插入損耗僅約0.6 dB，調(diào)制效率與帶寬實現(xiàn)兼顧，這在當前集成調(diào)制器領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平（圖2a–c）。與之配合的是圖2d–f所示的改進型InP基UTC-PD。通過在漂移層引入“cliff layer”結(jié)構(gòu)調(diào)控電場分布，該器件不僅在140 GHz實現(xiàn)1.26 dBm輸出功率，還實現(xiàn)了超過250 GHz的3 dB光電帶寬（圖2f）。更低的暗電流與更高飽和功率，使其在太赫茲信號生成中具備更高信噪比與穩(wěn)定性。兩者組合，構(gòu)成了真正意義上的“超寬帶光電轉(zhuǎn)換平臺”。

在光纖短距互連場景中，研究團隊首先驗證了系統(tǒng)的極限速率。圖2g–j展示了IMDD實驗結(jié)果：在不進行帶寬補償DSP的情況下，NRZ信號速率達210 Gbaud，PAM-4達196 Gbaud；結(jié)合complex-biGRU算法后，單通道256 Gbaud NRZ與PAM-4傳輸成功實現(xiàn)，誤碼率低于HD-FEC閾值（圖2i,j）。折算凈比特率最高可達約479 Gbps，刷新了集成IMDD通信的單通道紀錄。

圖2：TFLN調(diào)制器與改進型UTC-PD的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其超寬帶電光/光電響應性能。

更具突破性的，是太赫茲無線透明中繼實驗。圖3a描繪了光—THz—光全光鏈路結(jié)構(gòu)：光信號經(jīng)UTC-PD拍頻產(chǎn)生180 GHz載波，通過20 cm空中鏈路傳輸后，再由TFLN調(diào)制器轉(zhuǎn)換回光域。基于基礎(chǔ)DSP，QPSK、16-QAM與32-QAM分別實現(xiàn)最高180–240 Gbps速率（圖3b,c）。當引入complex-biGRU算法后，系統(tǒng)性能被進一步推向極限——16-QAM與32-QAM均突破400 Gbps，QPSK達100 Gbaud且誤碼率逼近實驗下限（圖3e,f）。這也是目前報道的最高單信道太赫茲數(shù)據(jù)速率之一。

值得一提的是，該算法通過在復數(shù)域構(gòu)建雙向門控循環(huán)網(wǎng)絡，并引入多級激活函數(shù)，有效緩解了傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡等化中的“jail window”失真問題，使高階調(diào)制在寬帶條件下依然保持星座清晰（圖3d–f），實現(xiàn)硬件與算法的深度協(xié)同。

圖3：基于全光架構(gòu)的太赫茲無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與高速調(diào)制實驗結(jié)果。

如果說單信道速率突破展現(xiàn)的是“速度”，那么多用戶接入能力則體現(xiàn)的是“密度”。圖4展示了86路8K視頻實時傳輸實驗：研究團隊將載波頻率從138 GHz掃描至223 GHz，以1 GHz步進分配信道，實現(xiàn)連續(xù)86個信道并行傳輸。光譜響應平坦、系統(tǒng)衰減小于5 dB（圖4b插圖），證明該UWB平臺可支持遠超5G標準的寬帶接入能力。同時，在4米無線距離下依然保持穩(wěn)定視頻輸出，展示出實際部署潛力（圖4c）。

綜合對比可見，無論在調(diào)制器帶寬、光電探測器性能、IMDD速率還是太赫茲載波利用效率方面，該系統(tǒng)均實現(xiàn)了系統(tǒng)級領(lǐng)先。尤其是載波利用效率達到2.22 bit/s/Hz，首次突破傳統(tǒng)極限值1，顯著提升頻譜利用能力（補充表4）。

圖4：86信道實時8K視頻多用戶接入系統(tǒng)及頻譜與響應測試結(jié)果。

小結(jié)

這一超寬帶集成光子方案不僅具備高容量、低功耗與低成本優(yōu)勢，還具備大規(guī)模制造與系統(tǒng)集成潛力。未來通過偏振復用、頻分復用、MIMO結(jié)構(gòu)以及更高增益天線，系統(tǒng)容量有望擴展至10 Tbps以上。同時，基于同一平臺，還可拓展至太赫茲雷達、頻譜分析與高分辨成像等領(lǐng)域，構(gòu)建真正意義上的“全光太赫茲生態(tài)系統(tǒng)”。從光纖到太赫茲，從芯片到織物式網(wǎng)絡，這項工作打通的不只是頻率維度，更是未來通信架構(gòu)的邊界。當光子學真正成為光纖與無線之間的“通用語言”，6G時代的超寬帶、低時延與高密度連接，或許正加速從概念走向現(xiàn)實。