《自然·通讯》最新:集成光子学中的极简无线收发器,为6G终端低成本高速互联铺路

前言

近日,北京大学电子学院研究员团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果(https://doi.org/10.1038/s41467-026-71081-z)。他们提出了一种极简主义的集成光子太赫兹无线收发机方案,成功打破了光源纯度与DSP复杂度之间的长期制约关系,仅用商用4MHz线宽的普通激光器,就实现了144Gbps的超高速无线传输,且无需进行复杂的载波恢复DSP处理。

核心内容

1.技术架构:RCM+IL实现相位追踪与噪声抑制

传统太赫兹通信系统中,载波与信号之间的相位抖动是影响性能的关键因素。为抑制这一抖动,通常需要高纯度光源或复杂的DSP算法进行补偿。

北大团队提出了一种"硬件协同"的解决方案:

发射端:残留载波单边带调制(RC-SSB)

通过精确控制IQ调制器的偏置点,在信号旁瓣旁保留一小部分残留载波。由于载波与信号同源、同光路,二者的相位波动同步且一致,为后续的相位追踪奠定了基础。

接收端:注入锁定(IL)

利用注入锁定技术,用一个普通DFB激光器作为从属激光器,将微弱残留载波放大28dB,并精确锁定其频率与相位。放大后的载波与反射回来的边带信号在单个光电探测器(PD)中拍频,实现相位噪声的自动抵消。

实验结果显示,经过注入锁定后,残留载波与边带信号的相位差小于0.1rad,频率稳定性显著提升,且锁定范围达694MHz,远大于激光器的频率漂移范围。

2.实验验证:144Gbps高速传输

基于上述架构,团队搭建了完整的太赫兹无线通信链路,载波频率为200GHz,传输距离20厘米。核心器件包括:

发射端:DFB激光器、集成IQ调制器、UTCPD

接收端:TFLN马赫-曾德尔调制器、DFB从属激光器、单PD

实验结果如下:

数据速率:60Gbaud QPSK(120Gbps)和36Gbaud 16-QAM(144Gbps)

光源对比:无论是4MHz线宽的DFB激光器,还是200Hz线宽的ECL窄线宽激光器,系统误码率(BER)表现几乎完全相同,均低于SD-FEC阈值(4×10⁻²)。这表明该方案对光源纯度几乎无依赖。

频谱效率:仅需2GHz保护间隔,频谱利用率高达96.8%。

3.DSP大幅简化:无需FOE与CPE

在传统相干接收方案中,接收端必须进行频率偏移估计(FOE)和载波相位估计(CPE)来恢复信号,这带来了高功耗、高延迟的DSP负担。

而在本方案中,由于载波与信号的相位在硬件层面已实现同步,FOE与CPE可以完全移除。实验对比显示,在移除这些算法后,信号仍能完美恢复,星座图清晰,误码率无明显劣化。这为降低系统功耗、缩短传输延迟提供了关键支撑。

研究意义

1.打破"光源纯度"与"DSP复杂度"的长期制约

本研究的核心突破在于,通过巧妙的系统架构设计,实现了"低纯度光源+低复杂度DSP"的可行组合。传统方案中必须二选一的权衡被打破,为低成本、低功耗、高集成的光子太赫兹通信开辟了新路径。

2.推动光子辅助通信向终端设备迁移

以往光子辅助无线通信多用于基站、中继等集中式场景,难以下沉到终端节点。本研究通过极简架构、商用器件、单PD接收、DSP精简等多项优势,使光子太赫兹收发机具备了规模化部署的潜力,有望在智能工厂、自动驾驶、数字孪生等场景中发挥关键作用。

3.为全集成光子芯片奠定基础

本工作中,激光器、调制器(薄膜铌酸锂)、光电探测器(UTC-PD)均已实现集成形态。结合异质集成、片上放大等先进工艺,未来有望将整个收发机集成于单一芯片,实现"指甲盖上的太赫兹通信"。

4.拓展至更广泛的相位敏感应用

该团队指出,所提出的相位追踪技术不仅适用于太赫兹通信,还可推广至集成感知与通信、雷达、精密测量等领域,为多种相位敏感应用提供一种通用、低成本的解决方案。

图1:集成光子学中的极简无线收发器方案赋能未来太赫兹通信

图2:相位波动追踪的原理与特性

图3:基于集成光子学的高速太赫兹无线通信

图4:极简无线系统中的数字信号处理削减

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