重磅!深圳鹏城实验室,今日Nature!
- 2026-06-13 13:17:03
电信系统正朝着超宽带宽和低延迟的方向发展，以支持有线与无线链路及其无阻塞互连。然而，由于信号架构和硬件约束的根本性差异，光纤通信与无线通信之间长期存在带宽不匹配的问题，这阻碍了跨这两个领域的高速兼容传输。这一挑战进一步复杂化了统一系统设计，并阻碍了在宽带接入场景下实现高密度、无阻塞的光纤-无线链路。
在此，深圳鹏城实验室余少华院士，王兴军教授，舒浩文研究员和上海科技大学陈佰乐副教授等人提出一种超宽带集成光子学方案，可在共享带宽基础设施上实现光纤-无线通信。该系统基于电光和光电转换技术，其3-dB工作带宽超过250 GHz，并具备跨架构适应性，从而在有线和无线链路上展现出前所未有的数据传输能力。使用同一套设备，并借助所提出的复值双向门控循环单元算法，实现了短距离光纤单通道512 Gbps的超高数据速率，并首次实现了400 Gbps的高速无线传输。此外，全光辅助的超宽带无线方案实现了高密度接入。进一步成功演示了跨86个信道的实时多通道8K视频传输，无缝利用了138至223 GHz的频谱范围。这些在统一电信发展方面的发现，展示了开发高速、高密度和低延迟通信网络的潜力。
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尽管光纤通信取得巨大成功，但未来万物互联时代对高吞吐、广覆盖和低延迟传输的需求，要求光纤与无线链路在单通道速率和可用带宽上持续提升，并推动接入架构向太赫兹频段演进，与光纤技术深度融合。然而，实现这一目标面临多重挑战。首要障碍在于器件工作带宽有限：当前基带收发器已接近带宽极限，而将宽带信号上变频至太赫兹范围，对发射和接收端的器件性能提出了极高要求，需要同时具备数百吉赫兹的平坦响应、高饱和功率和高调制效率，现有技术如等离子体调制器和单行载流子光电二极管分别在调制效率、光损耗或带宽、饱和功率上存在不足。
其次，系统架构也面临难题。光纤-无线系统通常需要跨频段混频，传统使用电本地振荡器的方法会引入带宽限制、噪声累积和硬件复杂性；全光子辅助方案虽能实现直接转换并节省硬件，但单通道数据速率仍受限。此外，随着信号带宽增至100吉赫兹范围，线性和非线性损伤导致的信号失真加剧，使传统线性数字信号处理算法基本失效，难以支撑未来超过400吉普斯通道速率的需求。这些挑战共同制约了超宽带、低延迟透明中继的实现。
本文提出一种基于集成光子学的统一超宽带光纤-无线通信解决方案。利用一对带宽超过250 GHz、由薄膜铌酸锂调制器和改进型单行载流子光电二极管组成的最先进光子电-光和光电转换器，实现了一种在光纤和无线链路中均可提供超过100 GHz信道带宽的带宽共享式光纤-无线传输方案。借助高效的信号调制、高功率光电探测以及统一的复值双向门控循环单元算法，本文的系统在有线和无线链路中均实现了高质量的数据传输。据报道所知，两种场景下的单通道数据速率均被提升至最高水平，光纤链路达到512 Gbps，太赫兹频段无线链路达到400 Gbps。更实际地，本文实现了86个信道的8K实时视频传输，在138-223 GHz范围内使用1 GHz信道带宽，这比标准的5G协议高出一个数量级。本文的工作为超宽带全光通信系统的全面集成铺平了道路，并将成为下一代电信技术的一个有前景的路径。
图1：集成UWB全光通信系统。
图2：UWB构件和短程互连的特性分析。
图3：高速THz无线传输结果。
图4：多路实时视频传输结果。
综上所述，本文提出并演示了一套超宽带全光通信原型系统，在短距光纤和无线链路上均实现了超高通道速率，可为6G基站等场景提供解决方案。目前传输速率主要受限于测试设备模拟带宽，但通过采用偏振/频分/空间复用技术、信号编码方案以及高增益天线和放大器，系统速率可扩展至10 Tbps以上，覆盖距离可达1公里。该系统具有四大优势：高能效（低损耗、低半波电压）、低成本（全光链路省去额外电学元件）、大规模可扩展（符合晶圆级制造要求）和高灵活性（通过调整本地振荡器易实现不同载频传输，且算法能适应复杂信道条件）。同时，通过集成激光器、片上天线等器件，有望实现单片全集成系统。此外，该方案的多功能性还可推动太赫兹频段的微波光子测量、集成雷达（用于6G室内定位与生命体征监测）以及太赫兹光谱成像（用于工业故障分析和生物诊断）等领域的发展。
Yunhao Zhang, Haowen Shu, Yijun Guo, Peiqi Zhou, Luyu Wang, Jianyang Cai, Liyuan Yao, Linshan Yang, Linze Li, Tianyu Long, Zhouze Zhang, Changhao Han, Kaihang Lu, Yu Sun, Zhaopeng Xu, Jun Qin, Yeyu Tong, Zhixue He, Xi Xiao, Lei Wang, Baile Chen, ShaohuaYu & Xingjun Wang,Integrated photonics enabling ultra-wideband fibre-wireless communication, Nature, https://doi.org/10.1038/s41586-026-10172-9
