来源：科研进阶社

    前言

    近日，北京大学电子学院研究团队在《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：RCM+IL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 QPSK（120Gbps）和36Gbaud 16-QAM（144Gbps）

    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