《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RCMIL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 QPSK120Gbps和36Gbaud 16-QAM144Gbps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【注】小编水平有限若有误请联系修改若侵权请联系删除