鹏城实验室，首篇Nature！

512Gbps光纤 + 400Gbps太赫兹！超宽带光子芯片打通6G最后一公里

在万物互联和6G时代加速到来的背景下，通信系统正同时面临两个前所未有的挑战：一方面，数据中心与算力网络对单通道速率和带宽密度的需求持续攀升；另一方面，移动终端、卫星通信与远程场景又要求无线链路具备更高频、更宽带、更低时延的能力。然而，光纤通信与无线通信在信号架构与器件带宽上的天然差异，使两者之间长期存在“带宽鸿沟”，难以实现真正无缝、无阻塞的融合。这一结构性矛盾，正成为构建高吞吐、低延迟统一通信网络的关键瓶颈。

今日，北京大学王兴军教授、舒浩文助理教授联合鹏城实验室余少华院士和上海科技大学陈佰乐副教授共同提出并验证了一种基于超宽带（UWB）集成光子学的光纤—无线共享带宽架构。该系统依托带宽超过250 GHz的电—光（EO）与光—电（OE）器件，并结合自研的complex-biGRU算法，实现了单通道512 Gbps光纤传输和400 Gbps太赫兹无线传输的突破，同时完成了覆盖138–223 GHz的86路8K视频实时传输演示，为构建高密度、低时延、可扩展的新一代通信网络奠定了基础。相关成果以“Integrated photonics enabling ultra-wideband fibre–wireless communication”为题发表在《Nature》上，张云皓, 舒浩文, 郭艺君, Peiqi Zhou, Luyu Wang为共同第一作者。

从系统层面来看，图1展示了这一“全光超宽带通信蓝图”。在图1中，研究人员勾勒出一个统一的光纤—无线融合网络：数据中心内部的高速互连、基站前传、卫星通信以及无线接入节点，都依托同一套超宽带集成光子器件完成信号的生成、调制、上变频与下变频。与传统依赖电本振倍频和频率混频的方案不同，这一架构通过光学方式完成频率转换，有效规避了电学带宽受限与噪声累积的问题，实现真正的共享频谱与透明中继，为“无拥塞传输”提供了硬件基础。

图1：超宽带集成光子学支撑的光纤—无线融合通信总体架构示意图。

真正支撑这一宏大构想的，是两枚核心器件：薄膜铌酸锂调制器与改进型UTC光电探测器。图2a–c给出了TFLN调制器的结构与性能表征。器件采用慢波电极结构优化电光速度匹配，在110–220 GHz频段内展现出平坦响应，实测3 dB带宽超过220 GHz，外推可达约260 GHz（图2c）。值得注意的是，其插入损耗仅约0.6 dB，调制效率与带宽实现兼顾，这在当前集成调制器领域处于领先水平（图2a–c）。与之配合的是图2d–f所示的改进型InP基UTC-PD。通过在漂移层引入“cliff layer”结构调控电场分布，该器件不仅在140 GHz实现1.26 dBm输出功率，还实现了超过250 GHz的3 dB光电带宽（图2f）。更低的暗电流与更高饱和功率，使其在太赫兹信号生成中具备更高信噪比与稳定性。两者组合，构成了真正意义上的“超宽带光电转换平台”。

在光纤短距互连场景中，研究团队首先验证了系统的极限速率。图2g–j展示了IMDD实验结果：在不进行带宽补偿DSP的情况下，NRZ信号速率达210 Gbaud，PAM-4达196 Gbaud；结合complex-biGRU算法后，单通道256 Gbaud NRZ与PAM-4传输成功实现，误码率低于HD-FEC阈值（图2i,j）。折算净比特率最高可达约479 Gbps，刷新了集成IMDD通信的单通道纪录。

图2：TFLN调制器与改进型UTC-PD的结构设计及其超宽带电光/光电响应性能。

更具突破性的，是太赫兹无线透明中继实验。图3a描绘了光—THz—光全光链路结构：光信号经UTC-PD拍频产生180 GHz载波，通过20 cm空中链路传输后，再由TFLN调制器转换回光域。基于基础DSP，QPSK、16-QAM与32-QAM分别实现最高180–240 Gbps速率（图3b,c）。当引入complex-biGRU算法后，系统性能被进一步推向极限——16-QAM与32-QAM均突破400 Gbps，QPSK达100 Gbaud且误码率逼近实验下限（图3e,f）。这也是目前报道的最高单信道太赫兹数据速率之一。

值得一提的是，该算法通过在复数域构建双向门控循环网络，并引入多级激活函数，有效缓解了传统神经网络等化中的“jail window”失真问题，使高阶调制在宽带条件下依然保持星座清晰（图3d–f），实现硬件与算法的深度协同。

图3：基于全光架构的太赫兹无线传输系统结构与高速调制实验结果。

如果说单信道速率突破展现的是“速度”，那么多用户接入能力则体现的是“密度”。图4展示了86路8K视频实时传输实验：研究团队将载波频率从138 GHz扫描至223 GHz，以1 GHz步进分配信道，实现连续86个信道并行传输。光谱响应平坦、系统衰减小于5 dB（图4b插图），证明该UWB平台可支持远超5G标准的宽带接入能力。同时，在4米无线距离下依然保持稳定视频输出，展示出实际部署潜力（图4c）。

综合对比可见，无论在调制器带宽、光电探测器性能、IMDD速率还是太赫兹载波利用效率方面，该系统均实现了系统级领先。尤其是载波利用效率达到2.22 bit/s/Hz，首次突破传统极限值1，显著提升频谱利用能力（补充表4）。

图4：86信道实时8K视频多用户接入系统及频谱与响应测试结果。

小结

这一超宽带集成光子方案不仅具备高容量、低功耗与低成本优势，还具备大规模制造与系统集成潜力。未来通过偏振复用、频分复用、MIMO结构以及更高增益天线，系统容量有望扩展至10 Tbps以上。同时，基于同一平台，还可拓展至太赫兹雷达、频谱分析与高分辨成像等领域，构建真正意义上的“全光太赫兹生态系统”。从光纤到太赫兹，从芯片到织物式网络，这项工作打通的不只是频率维度，更是未来通信架构的边界。当光子学真正成为光纤与无线之间的“通用语言”，6G时代的超宽带、低时延与高密度连接，或许正加速从概念走向现实。