前沿进展 | 200 m高速光子太赫兹通信

“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、南京紫金山实验室和东南大学朱敏教授团队合作，首次实现了高达200 m无线距离的高速光子辅助太赫兹通信实验，为未来6G网络中的大容量、长距离太赫兹通信提供了一种有效的解决方案。

相关成果以“Wireless transmission of a 200-m PS-64QAM THz-wave signal using a likelihood-based selection radius-directed equalizer”为题发表在Optics Letters上。

2022 | 前沿进展

02 研究背景

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太赫兹通信因其丰富的频谱资源(0.3~10 THz)和超高的传输速率成为未来6G网络的关键技术。同时，为了消除电子设备造成的带宽限制和电磁干扰，具有传输速率高、容量大、方向性强、安全性高及穿透性好等诸多优点的光子辅助太赫兹通信技术引起了研究者们极大的关注。

现有光子辅助太赫兹通信系统已经可以实现大于100-Gbit/s QAM信号的产生和传输；但同时实现高传输速率和高达200 m无线距离的长距离太赫兹无线通信，对透镜增益以及发射机和接收机的定位精度提出了更高要求，因此长距离太赫兹通信仍然面临着巨大挑战。

03 研究创新点

该研究团队提出一个基于光子辅助的长距离、高速太赫兹无线通信系统，该系统可实现10-Gbaud 概率整形的64QAM太赫兹信号的200 m无线传输，单载波净传输速率高达44 Gbit/s。这是200 m无线传输距离的高速光子辅助太赫兹通信的首次成功实现。

该光子辅助太赫兹无线通信系统设置如图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64QAM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1 200 m光子太赫兹无线传输的实验装置图

然而，概率整形的QAM信号星座半径的概率分布明显偏离均匀分布（如图2所示），这使得接收端传统的数字信号处理均衡器，例如恒模算法均衡器和半径导向均衡器，因其在更新滤波器抽头时没有考虑信号振幅的不稳定性，所以并不能实现概率整形的QAM信号的最佳恢复。

图2 概率整形的64QAM信号(5.6 bit/符号，信噪比=18 dB)的每个半径（彩色线）和整个信号（黑线）的概率加权幅度变化

为解决这一问题，该团队创新性地提出了一种基于概率选择的半径导向均衡器来恢复概率整形的QAM信号。这种概率感知均衡具有极佳的鲁棒性和灵活性，可以更好地补偿概率整形的QAM信号在传输和接收时产生的损伤。

200 m无线传输的实验装置照片如图3所示。在太赫兹无线传输实验中，想要实现正常发射功率下的长距离传输，往往需要采用高增益的介电透镜来增加太赫兹信号的无线传输距离。

该团队发现聚四氟乙烯具有较低的介电常数，并且工作范围适合于太赫兹波段，因此设计了一对聚四氟乙烯透镜来聚焦传输的太赫兹波束，大大增加了传输距离。

图3 200 m太赫兹无线传输的实验装置照片

04 总结与展望

该团队利用高增益聚四氟乙烯透镜、概率整形技术以及概率感知均衡器，创造了净速率44 Gbit/s的光子辅助太赫兹信号在335 GHz频率下的200 m无线传输记录。

该工作由复旦大学余建军教授团队、南京紫金山实验室和东南大学朱敏教授团队合作，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。复旦大学为第一完成单位。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/10.1364/OL.465696

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编辑 | 方紫璇

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