破纪录！紫金山实验室实现352 Gbps太赫兹光纤通信

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近日，SCIENCE CHINA Information Sciences 报道了紫金山实验室关于太赫兹光纤有线通信的最新进展。通过一段1米长的太赫兹空芯光纤，演示了一个太赫兹光纤传输系统，在325 GHz太赫兹载频上传输32 Gbaud的PS-4096QAM信号，可实现单通道352 Gbps传输速率，即275.2 Gbps的净速率以及8.6 bit/s/Hz净频谱效率的最高记录！该文由东南大学朱敏副教授担任第一作者，复旦大学余建军教授担任通讯作者。欢迎关注！

Demonstration of record-high 352-Gbps terahertz wired transmission over hollow-core fiber at 325 GHz

Min ZHU, Jiao ZHANG, Jianjun YU & Xiaohu YOU

Sci China Inf Sci, 2022, 65(2): 127301

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太赫兹波(Terahertz，THz)是指位于0.1 THz - 10 THz频率范围的电磁波，在电子学和光子学的交叉学科领域正引起了人们广泛的关注。太赫兹频段可以提供更大带宽，满足6G无线通信Tbps量级的传输。与传统的微波通信相比，它的波长较短，可以实现高分辨率的传感和成像，为实现连接数万亿个通信设备的物联网(IoT)提供支持。然而，太赫兹无线链路的最大障碍是大气衰减严重，仅适用于视距传输场景。为了解决太赫兹无线通信传输距离较短的缺陷，太赫兹光纤有线传输技术孕育而生，具有低传输损耗、非视距传播、灵活性等特点。因此，太赫兹无线与有线无缝融合传输可以极大扩展太赫兹的实际应用场景，对未来的信息和通信技术具有巨大潜力。

研究成果概述

当前已开展光子辅助的太赫兹通信研究，与传统的全电子方法相比，它具有无线载波频率的宽带可调性、超大带宽、少谐波以及与光传输的无缝融合等优点。此外，光通信中先进多维复用技术，如波分复用/偏振复用(WDM/PDM)、高阶矢量调制等，可用来实现100 Gbps及以上的宽带无线传输。然而，在实际传输中，光子辅助的太赫兹系统仍然受到较低的发射功率和较高的大气衰减的限制。在前面的工作中，通过融合光纤传输，一段“光纤-THz-光纤”透明传输系统被演示，在230 GHz太赫兹载频上实现240 Gbps和190 Gbps的线速率，分别传输5米和115米无线距离。这项研究工作采用了超宽带的离子体调制器，能够将太赫兹信号直接映射到光载波上，从而实现光波与太赫兹之间的透明传输。在另一项研究中，330 GHz太赫兹无线链路可以直接与太赫兹光纤有线链路完美对接，成功传输了8 Gbps无压缩高清4K视频。其中使用的太赫兹空心光纤，是由一层薄薄的低折射率膨胀聚四氟乙烯包层包围一个空气芯区域；一个专门设计的光子晶体波导用来有效地耦合太赫兹空心光纤和太赫兹无线链路。在我们前期的工作中，采用2段1.5米长的介质涂层金属空心光纤(DMHF)，实现了空分复用的128 Gbps无线传输。这种空心光纤可以有效地传输太赫兹信号，具有低色散、低损耗等优点，为更高频率的无线传输打开了实际工程应用的可能性。在此基础上，我们利用这种太赫兹空心光纤，进一步实验演示了在325 GHz太赫兹载频上传输32 Gbaud的PS-4096QAM信号，实现单通道352 Gbps传输速率，即275.2 Gbps的净速率以及8.6 bit/s/Hz净频谱效率的最高记录。

实验装置

图 1

在图1(a)中，基于1米长的太赫兹空心光纤(HCF)，我们实验演示了光子辅助太赫兹有线通信系统。为了逼近太赫兹信道的香农极限，我们产生基于概率整形技术的高阶QAM调制信号(PS-QAM)，并采用低密度校验(LDPC)的编解码方案，编码开销为25%，从而最大化太赫兹信道的传输容量。一个线宽为100 kHz的可调谐外腔激光器(ECL1)产生光载波，并被一个3 dB带宽为30 GHz的I/Q调制器进行信号调制，然后通过级联的掺铒光纤放大器(EDFA)对调制信号进行放大，以补偿调制器的插入损耗。另一路激光器ECL2产生本振光载波(LO)，与信号光载波ECL1的频率间隔为325 GHz，并通过一个偏振保持的光耦合器(PM-OC)，耦合两路光载波。接着，耦合后的光波进入单行载流子光电二极管(UTC-PD)产生载频为325 GHz的太赫兹信号，经由太赫兹天线在1米的太赫兹HCF上传输。图1(a)插图中显示了HCF的横截面。太赫兹HCF采用聚碳酸酯管，可以卷曲和盘绕，具有一定的柔韧性，空心管内壁的银膜镀层厚度为0.3 µm，内径为3.6 mm。在300 GHz载频下，太赫兹HCF的线性传输损耗为1.33 dB/m。在1米长的太赫兹HCF传输之后，接收到的THz信号由一台3 dB带宽为59 GHz、采样率为200 GSa/s的实时采样率示波器进行采样接收。

结果与讨论

图1(b)分别展示了背对背(BtB)和1米HCF两种传输情况下，32 Gbaud的PS-256QAM、PS-1024QAM和PS-4096QAM信号的归一化广义互信息(NGMI)与PD接收功率之间的关系。在BtB情况下，PS-256QAM和PS-1024QAM信号的NGMI均高于0.83的LDPC阈值。对于PS-4096QAM信号，当PD接收功率达到10 dBm时，才高于0.83的LDPC阈值，可实现前向纠错。此外，与BtB情况相比，1-m太赫兹HCF传输大约有0.5 dB的功率代价。具体而言，在0.83-NGMI的LDPC阈值下，对于PS-4096QAM信号，PD接收功率至少也要提高到10.5 dBm；对于PS-1024QAM信号，PD所需的最小接收功率为8.6 dBm。因此，在0.83-NGMI的LDPC阈值下，以25%的开销来计算，32 Gbaud的PS-4096 QAM信号可实现352 Gbps单通道传输速率，即275.2 Gbps的净数据速率以及8.6 bit/s/Hz净频谱效率的最高记录。值得一提的是，太赫兹HCF具有从可见光到远红外甚至太赫兹波段广泛的波长范围，并且太赫兹HCF包层模式的损耗接近空气损耗窗口。上述的结果表明，太赫兹HCF为6G太赫兹无线有线融合链路网络铺平了道路，可以实现室内场景下太赫兹信号的深度覆盖。