鵬城實驗室，首篇Nature！

512Gbps光纖 + 400Gbps太赫茲！超寬帶光子芯片打通6G最后一公里

在萬物互聯和6G時代加速到來的背景下，通信系統正同時面臨兩個前所未有的挑戰：一方面，數據中心與算力網絡對單通道速率和帶寬密度的需求持續攀升；另一方面，移動終端、衛星通信與遠程場景又要求無線鏈路具備更高頻、更寬帶、更低時延的能力。然而，光纖通信與無線通信在信號架構與器件帶寬上的天然差異，使兩者之間長期存在“帶寬鴻溝”，難以實現真正無縫、無阻塞的融合。這一結構性矛盾，正成為構建高吞吐、低延遲統一通信網絡的關鍵瓶頸。

今日，北京大學王興軍教授、舒浩文助理教授聯合鵬城實驗室余少華院士和上海科技大學陳佰樂副教授共同提出并驗證了一種基于超寬帶（UWB）集成光子學的光纖—無線共享帶寬架構。該系統依托帶寬超過250 GHz的電—光（EO）與光—電（OE）器件，并結合自研的complex-biGRU算法，實現了單通道512 Gbps光纖傳輸和400 Gbps太赫茲無線傳輸的突破，同時完成了覆蓋138–223 GHz的86路8K視頻實時傳輸演示，為構建高密度、低時延、可擴展的新一代通信網絡奠定了基礎。相關成果以“Integrated photonics enabling ultra-wideband fibre–wireless communication”為題發表在《Nature》上，張云皓, 舒浩文, 郭藝君, Peiqi Zhou, Luyu Wang為共同第一作者。

從系統層面來看，圖1展示了這一“全光超寬帶通信藍圖”。在圖1中，研究人員勾勒出一個統一的光纖—無線融合網絡：數據中心內部的高速互連、基站前傳、衛星通信以及無線接入節點，都依托同一套超寬帶集成光子器件完成信號的生成、調制、上變頻與下變頻。與傳統依賴電本振倍頻和頻率混頻的方案不同，這一架構通過光學方式完成頻率轉換，有效規避了電學帶寬受限與噪聲累積的問題，實現真正的共享頻譜與透明中繼，為“無擁塞傳輸”提供了硬件基礎。

圖1：超寬帶集成光子學支撐的光纖—無線融合通信總體架構示意圖。

真正支撐這一宏大構想的，是兩枚核心器件：薄膜鈮酸鋰調制器與改進型UTC光電探測器。圖2a–c給出了TFLN調制器的結構與性能表征。器件采用慢波電極結構優化電光速度匹配，在110–220 GHz頻段內展現出平坦響應，實測3 dB帶寬超過220 GHz，外推可達約260 GHz（圖2c）。值得注意的是，其插入損耗僅約0.6 dB，調制效率與帶寬實現兼顧，這在當前集成調制器領域處于領先水平（圖2a–c）。與之配合的是圖2d–f所示的改進型InP基UTC-PD。通過在漂移層引入“cliff layer”結構調控電場分布，該器件不僅在140 GHz實現1.26 dBm輸出功率，還實現了超過250 GHz的3 dB光電帶寬（圖2f）。更低的暗電流與更高飽和功率，使其在太赫茲信號生成中具備更高信噪比與穩定性。兩者組合，構成了真正意義上的“超寬帶光電轉換平臺”。

在光纖短距互連場景中，研究團隊首先驗證了系統的極限速率。圖2g–j展示了IMDD實驗結果：在不進行帶寬補償DSP的情況下，NRZ信號速率達210 Gbaud，PAM-4達196 Gbaud；結合complex-biGRU算法后，單通道256 Gbaud NRZ與PAM-4傳輸成功實現，誤碼率低于HD-FEC閾值（圖2i,j）。折算凈比特率最高可達約479 Gbps，刷新了集成IMDD通信的單通道紀錄。

圖2：TFLN調制器與改進型UTC-PD的結構設計及其超寬帶電光/光電響應性能。

更具突破性的，是太赫茲無線透明中繼實驗。圖3a描繪了光—THz—光全光鏈路結構：光信號經UTC-PD拍頻產生180 GHz載波，通過20 cm空中鏈路傳輸后，再由TFLN調制器轉換回光域。基于基礎DSP，QPSK、16-QAM與32-QAM分別實現最高180–240 Gbps速率（圖3b,c）。當引入complex-biGRU算法后，系統性能被進一步推向極限——16-QAM與32-QAM均突破400 Gbps，QPSK達100 Gbaud且誤碼率逼近實驗下限（圖3e,f）。這也是目前報道的最高單信道太赫茲數據速率之一。

值得一提的是，該算法通過在復數域構建雙向門控循環網絡，并引入多級激活函數，有效緩解了傳統神經網絡等化中的“jail window”失真問題，使高階調制在寬帶條件下依然保持星座清晰（圖3d–f），實現硬件與算法的深度協同。

圖3：基于全光架構的太赫茲無線傳輸系統結構與高速調制實驗結果。

如果說單信道速率突破展現的是“速度”，那么多用戶接入能力則體現的是“密度”。圖4展示了86路8K視頻實時傳輸實驗：研究團隊將載波頻率從138 GHz掃描至223 GHz，以1 GHz步進分配信道，實現連續86個信道并行傳輸。光譜響應平坦、系統衰減小于5 dB（圖4b插圖），證明該UWB平臺可支持遠超5G標準的寬帶接入能力。同時，在4米無線距離下依然保持穩定視頻輸出，展示出實際部署潛力（圖4c）。

綜合對比可見，無論在調制器帶寬、光電探測器性能、IMDD速率還是太赫茲載波利用效率方面，該系統均實現了系統級領先。尤其是載波利用效率達到2.22 bit/s/Hz，首次突破傳統極限值1，顯著提升頻譜利用能力（補充表4）。

圖4：86信道實時8K視頻多用戶接入系統及頻譜與響應測試結果。

小結

這一超寬帶集成光子方案不僅具備高容量、低功耗與低成本優勢，還具備大規模制造與系統集成潛力。未來通過偏振復用、頻分復用、MIMO結構以及更高增益天線，系統容量有望擴展至10 Tbps以上。同時，基于同一平臺，還可拓展至太赫茲雷達、頻譜分析與高分辨成像等領域，構建真正意義上的“全光太赫茲生態系統”。從光纖到太赫茲，從芯片到織物式網絡，這項工作打通的不只是頻率維度，更是未來通信架構的邊界。當光子學真正成為光纖與無線之間的“通用語言”，6G時代的超寬帶、低時延與高密度連接，或許正加速從概念走向現實。