光芯片助力超宽带光纤无线通信

光通信极大地推动了海量数据互联和高性能计算的发展。尽管光纤通信取得了巨大成功，但未来的万物互联需要在所有场景下实现高吞吐量、广域覆盖和低延迟的信号传输，包括高速光纤互联、多接入无线网络以及混合光纤-无线系统。为满足这些需求，光纤和无线链路都需要不断提高单通道速度和可用带宽以增强传输容量，接入架构也应向太赫兹（THz）频段迁移并与光纤技术深度融合，形成太赫兹光纤-无线网络，以实现大规模连接和低成本信号处理。此外，为了覆盖光纤基础设施无法触及的区域（如偏远地区或恶劣环境），作为混合中继节点的无线传输链路通常需要无缝的光纤-无线-光纤信号转换（称为透明中继），以确保接口处的低延迟和高保真传输。

然而，在所有场景中实现普遍可比的高速、低延迟数据传输仍然是一个重大挑战。一个显著障碍在于设备工作带宽有限。尽管光纤通信的基带收发器已达到100GHz及以上，支持每通道400Gbps的传输速率，但这种操作已接近当前收发器技术的带宽极限。在统一的光纤-无线通信系统中，将这些宽带基带信号直接转发到无线域需要上变频到太赫兹范围（0.1THz以上），这对发射机和接收机端的设备宽带性能提出了更高要求。具体而言，这需要在太赫兹范围内跨越数百GHz的平坦电光-电光频率响应，以及光电检测中的高饱和功率和高调制效率，以在保持信号保真度的同时实现更高速度，而这仍然难以满足。虽然等离子体调制器已被提出以实现近太赫兹带宽并支持深入太赫兹范围的信号调制，但它们存在调制效率低和光损耗高的问题，可能限制更高的通道速度。另一方面，单向载流子光电二极管（UTC-PD）已成为芯片级光-太赫兹信号生成的主导技术。然而，相对较低的光电带宽和有限的亚毫瓦级饱和功率限制了太赫兹应用中的信噪比。

另一个挑战涉及系统架构。由于光纤通信中的电光-电光信号转换通常在基带进行，而无线传输中在中频（IF）进行，因此光纤-无线系统通常需要跨频段混频。为实现这一点，全电和混合光电方法都使用倍频电本地振荡器（LO）进行混频。然而，这些方法引入了电带宽限制、进一步的倍频诱导噪声累积和硬件复杂性，进而限制了系统容量并增加了实现成本。全光子辅助无线方案实现了直接的无线-光信号转换以及随后在光域中的处理，节省了大量硬件并提供了出色的频率转换一致性。在集成光子平台上也已演示了全光无线通信的全链路功能和宽带频谱适应性。尽管如此，迄今为止演示的单通道数据速率仍限制在80Gbps以下。虽然各种复用技术可以进一步提高整体容量，但这种聚合会增加信号编解码的复杂性，从而阻碍低延迟透明中继的实现。此外，随着信号带宽增加到100GHz范围，线性和非线性损伤引起的信号失真变得越来越明显。这使得传统的线性数字信号处理（DSP）算法在宽带光纤-无线融合中基本无效，尤其是当未来基础设施要求通道速率超过400Gbps时。

本研究提出了一种基于集成光子学的统一超宽带光纤-无线通信解决方案。使用一对具有超过250GHz最先进带宽的光子电光（EO）和光电（OE）转换器（由薄膜铌酸锂（TFLN）调制器和改进的UTC-PD组成），我们实现了光纤-无线带宽共享传输方案，在光纤和无线链路中都有超过100GHz的可用信道带宽。在高效信号调制、高功率光电检测和统一的复双向门控循环单元（complex-biGRU）算法的支持下，我们的系统在光纤和无线链路中都实现了高质量的数据传输。据我们所知，单通道数据速率在两种场景下都达到了最高水平，光纤链路达到512Gbps，太赫兹频段的无线链路达到400Gbps。更实际的是，在138-223GHz的频谱范围内，以1GHz信道带宽实现了86通道8K实时视频传输，比标准5G协议大一个数量级。我们的工作为超宽带全光通信系统的全面集成铺平了道路，并将成为下一代电信的有前景的途径。