导读

太赫兹（THz）通信作为下一代移动通信的核心候选技术，在高速大容量无线传输方面潜力巨大，然而其弱发射功率、高路径损耗与低接收灵敏度等严重制约了室外长距离应用。近日，紫金山实验室、东南大学联合中国电子科技集团公司第十二研究所（简称中国电科12所），采用光子太赫兹技术路线，利用自研的一款输出功率近4 W、放大增益超过50 dB的高频太赫兹连续波行波管放大器（TWTA），结合提出的简化单发双收分集架构和智能合并处理算法，首次在335 GHz频段实现2.2公里的长距离太赫兹无线通信演示，其容量距离积超过当前公开报道国际纪录1.5倍。这一成果标志着光电子融合技术驱动的300 GHz以上高频太赫兹无线通信正式迈入公里级传输时代。相关成果以“ Surpassing kilometer-scale terahertz wireless communication beyond 300 GHz enabled by hybrid photonic–electronic synergy ”为题发表于国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》。紫金山实验室蔡沅成、张教、华炳昌副研究员、中国电科12所张琳高级工程师为论文共同一作，中国电科12所冯进军首席科学家、紫金山实验室/东南大学朱敏教授、尤肖虎院士为论文共同通讯作者。

研究背景

高频太赫兹频段（≥300 GHz）拥有丰富的频谱资源，是下一代无线前传/回传应用的关键候选频段。其中，光子太赫兹技术在高频信号产生、高速收发、实时处理以及与现有光纤网络基础设施融合方面具备天然优势，成为实现超宽带大容量太赫兹通信的重要途径。然而，受限于发射功率弱、路径损耗大及接收灵敏度差，当前高频太赫兹通信面临严峻的覆盖能力瓶颈，尤其在300 GHz以上的光子太赫兹系统中更为突出。因此，突破公里级无线传输距离，已成为推动太赫兹通信走向工程应用的关键挑战。

针对上述问题，研究团队研制了一款大功率、高增益的335 GHz连续波TWTA，可在太赫兹频段实现瓦级功率输出。同时，通过混合光电子协同作用，结合光子太赫兹产生、大功率太赫兹放大、空间分集接收和智能最大比合并处理，在一个极具挑战性的大气窗口（335 GHz）成功展示了破纪录的公里级太赫兹无线通信。

图1 基于混合光电子协同的公里级太赫兹无线通信场景示意图

研究亮点

本研究创新性地采用光电协同技术路线，利用光子学技术产生高频太赫兹信号，借助大功率、高增益的真空电子器件进行放大，搭配简化的“单发双收”智能分集接收架构，实现技术互补、优势叠加，攻克高频太赫兹信号产生、放大、传输全链路关键技术，实现创新突破。

1. 研制了国际首款335 GHz高功率连续波行波管放大器

研究团队创新性采用改进型圆形弯曲折叠波导（MCB-FWG）慢波结构，通过改变几何参数设计，一方面精确调控慢波结构内的电场分布，增强电子注传播方向的电场强度，提升电子注与电磁波的能量交换效率，从而进一步提高了太赫兹波输出功率；另一方面有效抑制了止带边缘自激振荡模式激发，拓展了TWTA的稳定工作带宽。此外，创新设计并集成了一种特殊的斜面聚焦电极，增强了对强流微细电子注的控制，实现了335 GHz行波管连续波稳定输出。

图2 335 GHz太赫兹连续波TWTA设计

此外，研究团队采用光外差技术将太赫兹频率间隔的两束光波送入单行载流子光电探测器（UTC-PD）产生频率可调谐的连续太赫兹波，对上述连续波TWTA进行性能表征。结果表明，研制的TWTA在332 ~ 337 GHz频段范围内可提供超过1 W（即30 dBm）的输出功率，在335.5 GHz处峰值功率可达4 W（即36 dBm），创300 GHz以上频段连续波太赫兹放大器最高纪录，为远距离太赫兹无线传输提供了关键核心器件支撑。此外，该TWTA在330.5 ~ 338.5 GHz（8 GHz带宽）范围内的增益超过30 dB，在334.5 GHz时达到~52 dB的峰值增益，与仿真设计参数非常吻合，相关性能达到国际领先水平。

图3 335 GHz太赫兹连续波TWTA表征

2. 实现了国际首个300 GHz以上频段光子太赫兹公里级无线传输

基于上述连续波行波管放大器，研究团队在紫金山实验室和东南大学九龙湖校区两地之间搭建通信实验系统，进一步完成了2.2公里长距离太赫兹无线通信演示。首先，采用混合光电子协同，通过大功率TWTA将UTC-PD输出的光子太赫兹信号功率由传统的百微瓦级提升至数瓦级，功率提升超过4个数量级，有效克服光生太赫兹功率弱和长距传输太赫兹路径损耗大的难题。其次，提出一种适合长距太赫兹传输的简化版单发双收无线传输架构，在共享发射机和公里级无线链路的情况下，采用两个接收机协同实现分集接收，通过提供额外的分集增益进一步改善系统接收灵敏度。

图4 基于单发双收简化架构的2.2公里335 GHz光子太赫兹无线传输演示系统

为突破接收灵敏度瓶颈，基于上述简化版单发双收空间分集接收架构，研究团队进一步提出了相应的智能合并处理算法，采用一个数据驱动的长短期记忆人工神经网络（LSTM-ANN）实现两个接收机数据的智能最大比合并（MRC）。实验结果表明，相对于单接收机方案，接收性能显著提升，最大信噪比改善接近3 dB。

图5 基于智能最大比合并的2.2公里335 GHz光子太赫兹通信结果

总结与展望

本研究采用光电协同技术路线，突破300 GHz以上太赫兹通信覆盖瓶颈。自主研制了国际领先的335 GHz大功率高增益连续波行波管放大器，首次实现2.2公里太赫兹无线传输，创造了300 GHz以上频段太赫兹通信速率距离积的新世界纪录。展望未来，通过进一步提升行波管放大器的带宽与增益平坦度，该方案有望在公里级无线传输距离上实现超100 Gbit/s的通信速率，为超高速无线回传及空天地一体化网络提供关键技术支撑。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02321-6