通过光电混合协同实现超越300 GHz的公里级太赫兹无线通信

穿越空气的更快链路

流式传输超高清晰度视频、连接偏远村庄或在灾后恢复通信，都需要既极其高速又易于部署的数据链路。光纤可以提供巨大的容量，但跨越河流、山脉或繁忙的城市敷设成本高且耗时。本文探讨了一条不同的路径：利用极高频的“太赫兹”无线电波，在公里级距离上实现类似光纤的数据速率，从而有可能重塑未来通信网络的建设方式。

这些看不见的波为何重要

当今的移动网络已在低频谱带上拥挤。为跟上爆炸式增长的数据流量，研究者正转向300吉赫以上的太赫兹频段——那里有大量几乎未被利用的频谱，承诺实现数十乃至数百吉比特每秒的链路速率。这类链路非常适合在无法敷设光纤时连接基站、建筑物或临时站点。然而存在一个难题：在如此高的频率下，信号在空气中衰减迅速，现有发射器难以产生足够的功率，尤其是当信号由与光纤系统良好集成的光学技术产生时。

核心思路：将光与电子结合

作者提出了一种光子学与真空电子学相结合的混合解决方案。在发射端，两束精确调谐的激光在特殊光电二极管中拍频，生成与现代光纤系统天然匹配并支持超高数据速率的高频太赫兹信号。这个微弱的信号随后被输入到一种定制的器件——行波管放大器（TWT）中，后者通过电子束与精心设计的金属波导相互作用，将功率从微瓦级放大到几瓦。在接收端，一个大塑料透镜将经过公里传输后微弱的信号汇聚到两个独立的电子接收器上，接收器的输出经过智能组合以提高灵敏度。

构建强大的太赫兹动力单元

该工作的核心是一种在约335吉赫运行的新型放大器。传统的固态放大器在这些频率下通常只能提供数十毫瓦的输出功率且增益受限，从而限制了可行的传输距离。团队重新设计了行波管内部的波导结构，使电场与电子束的耦合更强，同时在太赫兹频段保持较低损耗。他们的器件实现了近4瓦的连续输出功率和超过50分贝的增益——相当于信号强度约一万倍的提升——并在这一具有挑战性的频段维持了良好的效率。这些性能指标目前为300吉赫以上的放大器设立了新的基准。

在城市间发送高速数据

为了验证完整系统，研究者在中国南京两幢高层建筑之间建立了一条点对点太赫兹链路，跨越2.2公里并经过数条城市河流。在其中一栋楼内，光学发射机产生了335吉赫载波，用16阶调制编码并在进入高增益楼顶天线前由新放大器放大。在远端建筑，大透镜捕获了微弱的波束并将其引导到两个相互靠近的接收器。它们的电信号被记录并用先进的数字算法处理，结合两路信号，利用两条略有不同路径上衰落与噪声的差异来净化接收信号。

在相同空气中获取更多信息

双接收器方法带来了明显益处。与仅用单个接收器相比，合并两路提高了近3分贝的信噪比——相当于几乎使可用信号功率翻番——使系统能够维持更高的数据速率并容忍更弱的入射信号。采用这种光电混合架构，团队在335吉赫、2.2公里距离上实现了净信息速率27.84吉比特每秒。这在该频段的速率与距离乘积上创下了新纪录，并表明即便在300吉赫以上，公里级的光纤级无线连接也是可行的。

对未来网络的意义

对非专业读者而言，关键结论是：作者展示了一种实用方法，能让极高频无线信号传输距离显著超过以往的预期，同时不放弃太赫兹频段所承诺的超高速率。通过将光学信号生成与强大的电子束放大器及智能双接收处理相结合，他们克服了这些波在空气中通常面临的巨大损耗。尽管在带宽和紧凑性方面仍需改进，这项工作指向了未来网络的一个方向：可以快速通过自由空间建立长距离高容量链路，作为光纤的补充，帮助承载未来几代通信系统预期的海量数据负载。

引用: Cai, Y., Zhang, L., Zhang, J. et al. Surpassing kilometer-scale terahertz wireless communication beyond 300 GHz enabled by hybrid photonic–electronic synergy. Light Sci Appl 15, 228 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02321-6

关键词: 太赫兹无线, 6G回程, 行波管放大器, 光子学辅助通信, 长距离高速链路