前沿进展 | 超100 Gbps的光子太赫兹百米无线通信

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，复旦大学余建军教授团队与紫金山实验室朱敏教授团队合作完成，成功实现了单线速率124.8 Gbit/s的概率整形256QAM太赫兹信号的百米无线传输，创造了新纪录。

相关成果以“124.8-Gbit/s PS-256QAM Signal Wireless Delivery Over 104 m in a Photonics-Aided Terahertz-Wave System”为题发表在IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology上。

2022 | 前沿进展

02 研究背景

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为满足大容量无线传输所需的超宽带要求，基于光子辅助的太赫兹波通信(0.3-3 THz)已成为未来6G网络的关键技术。现已有基于商用单行载流子光电二极管，在无线距离为1.8m的2 × 2多输入多输出光子太赫兹通信系统中，实现132Gbit/s的信号传输。然而，基于光子辅助方案，实现超100 Gbit/s太赫兹信号，在超100m的无线距离上传输仍有困难。

03 研究创新点

该研究团队利用商用单行载流子光电二极管、太赫兹低噪声放大器、一对聚四氟乙烯透镜、概率整形技术和先进的数字信号处理技术，首次实现了单线速率124.8 Gbit/s的256QAM太赫兹信号在104m无线距离上的传输，达到了6.2 bit/(s·Hz）的净频谱效率。

该基于光子辅助的太赫兹通信系统装置如图1所示。为了获得较高的频谱效率和传输容量，该方案采用概率整形技术，通过采用麦克斯韦-玻尔兹曼分布使在平均能量约束下实现给定星座的熵最大化，产生概率整形的256QAM信号，该技术可以获得整形增益并显著提高了通信速率的灵活性。

图1 104米光子太赫兹无线传输的实验装置图

然而系统仍存在线性色散效应和由光电子器件(如调制器、放大器等)引起的非线性谐波失真。故而在接收端的数字信号处理中引入了二阶Volterra非线性均衡器，有效地预补偿了概率整形的QAM信号在传输和接收时受到的损伤，提高了传输可靠性。图2展示了接收的16 Gbaud 64QAM和概率整形的256QAM信号的NGMI值与输入光电二极管功率的关系曲线。

图2 接收的16Gbaud 64QAM和概率整形的256QAM信号，NGMI值与输入光电二极管的功率关系曲线

图3 104米光子太赫兹无线传输的实验装置照片

实验装置照片如图3所示。由于发射天线输出的太赫兹波信号是发散的，而接收天线孔径较小，在不使用特殊介质透镜的情况下，很难在正常发射功率下实现100米以上的无线传输。研究团队设计了一对聚四氟乙烯平面凸透镜聚焦准直的太赫兹波束，以增加太赫兹信号的无线传输距离。

04 总结与展望

该团队在基于光子辅助的太赫兹无线通信系统中，利用聚四氟乙烯透镜和先进的数字信号处理技术，创造了单线速率124.8 Gbit/s的概率整形256QAM信号在339 GHz频率下的104米无线传输记录。

该工作由复旦大学和紫金山实验室朱敏教授团队合作完成，复旦大学余建军教授为通讯作者，复旦大学丁俊杰博士为论文第一作者。研究工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金的大力支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1109/TTHZ.2022.3164356

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编辑 | 方紫璇

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