超越350 GHz：使用孤子微梳在560 GHz实现单通道112 Gbps光子无线传输

为什么未来手机需要新的不可见波段

我们的手机和无线设备对数据的需求不断增长，但它们所用的无线频段日益拥挤。这项研究探索了一个新的频谱区域，远高于当前的移动频段，旨在检验微小的光学芯片是否能通过空气传送足够快的互联网流量，从而替代部分光纤。研究表明，这些小型光子引擎可以将无线链路推进到较少使用的太赫兹波段，同时仍能承载每秒超过1000亿位的数据。

迈向超越当今拥挤频谱的领域

当前的5G网络大多在28吉赫以下运行，频段繁忙且无线信道相对狭窄。为满足未来6G系统的需求，研究人员将目光投向约0.3到1太赫兹的太赫兹频段。该范围提供宽广且相对清洁的频谱片段，可支持基站之间的极高速回传链路。然而，频率越高，信号在空气中的衰减越强，传统电子学在生成稳定、低噪声的波形超过300吉赫时也面临挑战。因此，350吉赫以上的区域在高速链路方面长期未被充分利用，尽管该频段尚未被大量服务分配。

用光来产生超高速无线电波

为进入更高频段，团队采用了光子学，利用光而非纯电子学来生成无线信号。他们系统的核心是一个二硅化氮（硅氮化物）芯片，产生一组间隔均匀、相位锁定的激光“梳齿”光谱。该梳状光谱由一种称为孤子的特殊光脉冲模式在芯片上的微环中循环形成。两枚普通激光二极管被迫跟随并锁定到梳齿中的相邻两色。当这两束锁定的激光共同照射到高速光电二极管上时，它们微小的频率差拍频产生了一个稳定的560吉赫太赫兹波，可作为数据的载波。

将微小光源封装以便实际应用

这类微梳芯片的主要实际难题是如何在不使用易失稳的大型光学台的情况下实现光的进出。研究人员通过将光纤直接粘接到芯片上解决了这一问题，使用一段短的高数值孔径光纤和涂在玻璃支撑上的紫外固化胶。这种紧凑封装只有几毫米大小，但能承受一瓦的泵浦功率，并在数小时内保持几乎恒定的耦合效率。测试中，这种新型光纤耦合设计使孤子微梳运行超过一天，而传统的自由空间透镜配置在类似条件下几分钟内就失去对准。这种长期稳定性对于将此类微梳置入实用太赫兹无线电至关重要。

发送与接收超高速数据流

一旦生成稳定的560吉赫波形，其中一束锁定的激光被送入先进的调制器，通过同时调整光的强度和相位来刻录数据。团队使用两种常见格式：正交相移键控（QPSK）和16阶正交振幅调制（16-QAM），分别每符号携带两位和四位比特。第二束锁定激光保持未调制。两束光合并后在高速光电二极管中被转换为太赫兹信号，然后通过十毫米的自由空间间隙发射。接收端用特殊混频器和高速电子设备将到达的太赫兹波下变频到可被录制和分析的低频段，整个过程中无需超出示波器内建功能的额外数字处理。

新的链路能承载多少信息

为了评估系统性能，作者检查了接收符号的分布并计算其偏离理想位置的程度，这一量度称为误差矢量幅度（EVM）。如果该数值低于某些限值，常用的误差校正码即可清除剩余错误。使用较简单的相位格式，他们以高达42吉波特的符号率发送数据，实现了84吉比特每秒。采用更高阶的16阶格式，他们达到28吉波特，相当于在560吉赫单一无线信道上实现112吉比特每秒，并满足更严格的误差限制。他们还比较了有无梳状参考时的运行情况，发现锁定到微梳能够压窄载波线宽并降低相位噪声，尤其在中等符号率下显著改善性能。

这对未来无线链路意味着什么

对普通用户来说，关键是光子芯片可以帮助开启频谱中更安静的新频段，用于极高速的无线连接，这些连接未来可能把基站互联，替代短距离光纤。该实验表明，一个紧凑的光纤封装微梳源可以稳定地驱动远超350吉赫的太赫兹发射器，并仍然承载超过100吉比特每秒。尽管此处使用的560吉赫频段在潮湿空气中吸收强烈，更适合非常短的链路，但相同方法可以移至相邻频率以扩大传播距离。借助更强的太赫兹发射器和更高增益的天线，作者预计类似系统最终可在数米范围内支持数百吉比特的链路，成为未来6G基础设施的构件之一。

引用: Tokizane, Y., Kishikawa, H., Kikuhara, T. et al. Beyond 350 GHz: Single-channel 112 Gbps photonic wireless transmission at 560 GHz using soliton microcombs. Commun Eng 5, 77 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00659-8

关键词: 太赫兹无线, 孤子微梳, 光子发射器, 6G回传, 高速链路