超100 Gbps的光子太赫茲百米無線通信

  近日，復旦大學余建軍教授團隊與紫金山實驗室朱敏教授團隊合作完成，成功實現了單線速率124.8 Gbit/s的概率整形256QAM太赫茲信號的百米無線傳輸，創(chuàng)造了新紀錄。

  相關成果以“124.8-Gbit/s PS-256QAM Signal Wireless Delivery Over 104 m in a Photonics-Aided Terahertz-Wave System”為題發(fā)表在IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology上。

  為滿足大容量無線傳輸所需的超寬帶要求，基于光子輔助的太赫茲波通信(0.3-3 THz)已成為未來6G網絡的關鍵技術。現已有基于商用單行載流子光電二極管，在無線距離為1.8m的2 × 2多輸入多輸出光子太赫茲通信系統(tǒng)中，實現132Gbit/s的信號傳輸。然而，基于光子輔助方案，實現超100 Gbit/s太赫茲信號，在超100m的無線距離上傳輸仍有困難。

  該研究團隊利用商用單行載流子光電二極管、太赫茲低噪聲放大器、一對聚四氟乙烯透鏡、概率整形技術和先進的數字信號處理技術，首次實現了單線速率124.8 Gbit/s的256QAM太赫茲信號在104m無線距離上的傳輸，達到了6.2 bit/(s·Hz）的凈頻譜效率。

  該基于光子輔助的太赫茲通信系統(tǒng)裝置如圖1所示。為了獲得較高的頻譜效率和傳輸容量，該方案采用概率整形技術，通過采用麥克斯韋-玻爾茲曼分布使在平均能量約束下實現給定星座的熵最大化，產生概率整形的256QAM信號，該技術可以獲得整形增益并顯著提高了通信速率的靈活性。

  圖1：104米光子太赫茲無線傳輸的實驗裝置圖

  然而系統(tǒng)仍存在線性色散效應和由光電子器件(如調制器、放大器等)引起的非線性諧波失真。故而在接收端的數字信號處理中引入了二階Volterra非線性均衡器，有效地預補償了概率整形的QAM信號在傳輸和接收時受到的損傷，提高了傳輸可靠性。圖2展示了接收的16 Gbaud 64QAM和概率整形的256QAM信號的NGMI值與輸入光電二極管功率的關系曲線。

圖2：接收的16Gbaud 64QAM和概率整形的256QAM信號，NGMI值與輸入光電二極管的功率關系曲線

圖3：104米光子太赫茲無線傳輸的實驗裝置照片實驗裝置照片

  如圖3所示。由于發(fā)射天線輸出的太赫茲波信號是發(fā)散的，而接收天線孔徑較小，在不使用特殊介質透鏡的情況下，很難在正常發(fā)射功率下實現100米以上的無線傳輸。研究團隊設計了一對聚四氟乙烯平面凸透鏡聚焦準直的太赫茲波束，以增加太赫茲信號的無線傳輸距離。

  該團隊在基于光子輔助的太赫茲無線通信系統(tǒng)中，利用聚四氟乙烯透鏡和先進的數字信號處理技術，創(chuàng)造了單線速率124.8 Gbit/s的概率整形256QAM信號在339 GHz頻率下的104米無線傳輸記錄。

  該工作由復旦大學和紫金山實驗室朱敏教授團隊合作完成，復旦大學余建軍教授為通訊作者，復旦大學丁俊杰博士為論文第一作者。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目和國家自然科學基金的大力支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1109/TTHZ.2022.3164356