探秘！ 這項全球重大原創成果為何在南京誕生
原標題：面向6G太赫茲實時傳輸超高速率較5G提升10至20倍，刷新世界紀錄
這項全球重大原創成果為何在寧誕生
紫金山實驗室。 紫金山實驗室供圖
隨著第五代（5G）無線通信網絡的大規模部署，第六代（6G）無線通信網絡的研究正在全球興起。
當前，面向6G的太赫茲通信技術是資訊領域世界科技競爭的焦點。
1月4日，紫金山實驗室副主任、首席科學家，東南大學資訊科學與工程學院尤肖虎教授發布重大原創成果——360—430GHz太赫茲100/200Gbps實時無線傳輸通信實驗係統，通信速率較5G提升10至20倍。這意味著，目前世界上公開報道的太赫茲實時無線通信最高實時傳輸紀錄就此被刷新。
這項重大原創成果，為何會誕生在南京？背後有怎樣的故事？近日，南報融媒體記者走進位于江寧區的紫金山實驗室，對該研究團隊進行了專訪。
紫金山實驗室展示廳。 紫金山實驗室供圖
一群天南海北的年輕人
當前，5G在全球范圍內大規模部署，更多關鍵能力正處于標準化進程中，例如大規模連接、高可靠性和有保障的低時延。但是，5G並不能滿足2030年及之後的未來網絡需求，6G的研究正在全球興起。
在行動通訊領域，東南大學擁有雄厚的研發實力。作為行動通訊技術的領軍者，尤肖虎從上世紀90年代起，就開始負責承擔該領域相關技術的研發工作，也見證了我國通信技術從2G落後、3G追趕，到4G並駕齊驅、5G領先的整個過程。
“隨著5G的發展，人們對頻寬的要求、傳輸速率的要求會越來越高，這個時候，無線通信需要光通信的加持來進一步提高它的傳輸速率。”東南大學資訊科學與工程學院副教授朱敏説，在尤肖虎教授的指導下，他們選擇了光子太赫茲這條全新技術路線來實現太赫茲無線通信，並成立了光子太赫茲課題組。
紫金山實驗室是江蘇省和南京市重點打造的服務國家重大科技戰略科研平臺，聚焦網絡作業系統、毫米波晶片和網絡內生安全等關鍵命脈技術實施科研任務攻關和科技成果轉化，構建“中國網絡2030”新型體係與綜合試驗環境，這與尤肖虎團隊致力于在太赫茲無線通信領域的研發不謀而合。
“紫金山實驗室一成立，我們課題組就來落戶了。”朱敏告訴記者，2020年，他們從復旦大學、北京郵電大學、電子科技大學等“雙一流”高校招聘了一批優秀的博士生，2021年初又全力引進復旦大學國家特聘專家余建軍教授擔任課題組高級技術顧問，初步形成了以專家和教授為領隊、博士為中堅力量的技術研發團隊。“尤肖虎教授作為實驗室首席科學家，在課題設置、技術路線把控等方面給予全程指導，余建軍教授在項目攻堅上給予課題組及時的指導點撥。”朱敏説。
研發團隊的絕大部分成員都是來自天南海北的年輕人。張教博士老家在山東，畢業于復旦大學，他告訴記者，選擇來紫金山實驗室，是因為認定光子太赫茲技術研究非常有前途。蔡沅成博士從成都來到南京，和他一起來的還有妻子和孩子，“紫金山實驗室平臺很好，收入待遇也不錯，我們既可以選擇住人才公寓，也可以選擇自己租房。如果租房，每月給2000元補貼，可以補貼5年。”
就這樣，近20人的研發團隊聚焦面向6G的超寬頻光子毫米波太赫茲通信技術，展開了從基礎理論、係統架構到樣機産品的科研攻關。每位研發人員按照自己的專業和研究方向承擔對應課題子任務，大家分工合作、優勢互補，全力以赴攻克一道道科研難題。
紫金山實驗室光子太赫茲課題組研發人員正在進行研發。 南報融媒體記者 繆越攝
一間價值千萬的實驗室
走進紫金山實驗室大樓內的普適通信研究中心，長長的過道兩側，是一間間外觀相似的實驗室。門框上都挂著一塊叫“調試間”的門牌，唯一能區別的，是門框上不同的房間號。
光子太赫茲課題組的實驗室就是其中一間。記者推門而入，看到房間四周和中央都布滿了各種實驗設備。“2020年6月我們剛來的時候，房間裏一顆螺絲釘都沒有，前期採購的部分設備都暫存在倉庫裏。”張教説，研發團隊成員首先是組裝、調試設備，“真正的白手起家，一邊搭建實驗室環境，一邊著手理論研究與倣真實驗。”
光子太赫茲領域的研究，一些國外先進國家比我國早2—3年，但後起也有後起的優勢。“我們直接瞄準國際最新標準，採購設備、開展研發。”朱敏告訴記者，這在很大程度上實現了研發高起點、高效率。同時，紫金山實驗室首席科學家負責制等靈活開放的運作機制，為課題組的研發在人員、經費等方面提供了有力保障。“一些小型實驗設備，短短幾天就能走完審批流程實施採購，重要設備通過專家論證等環節，一個月內就能完成審批進行採購。”朱敏説，目前在這間不大的調試間內，設備投入接近2000萬元。
令人興奮的第一束光子毫米波！2020年12月，研發團隊成功調試出第一束光子毫米波，在100GHz的W頻段。“當看到顯示屏上實時視頻流傳輸成功的時候，特別興奮。”張教説，這驗證了光子太赫茲這條技術路線是可行的，給了大家極大的信心和鼓勵。
難忘的攻堅克難！2021年6月起，研發團隊進入了最後的技術攻關階段。“當時遇到了好幾個技術難題。”張教回憶，首先是信號調不通，研發人員從設備發射端起到接收端，逐段逐段尋找問題，近兩個月時間嘗試了數十個方案，最終將難題全部消滅。所謂關關難過關關過。然後是9月份的一個晚上，用于檢測接收信號品質的“高端示波器”突然發出異常鳴叫，接著藍屏、當機，罷工了。“我們又緊急聯繫成都的廠家，送一臺樣機過來替代使用。研發任務緊迫，耽誤的每一天都是一種煎熬。”張教説。
幸福來得太突然！2021年9月28日，團隊的幾名研發人員完成了360GHz太赫茲100Gbps實時無線傳輸通信實驗係統調試，實驗室顯示螢幕上顯示：調試成功。“勝利在望了，接著我們從360GHz開始測，到370、380，一直測到430GHz，拿到了整套數據。”當實驗調通的那一瞬間，朱敏説，幸福來得太突然。因為10月中旬，研發團隊就要把這個成果以論文形式先上報給全球光電、光通訊領域頂級學術盛會OFC，“我們利用國慶假期對整個係統性能進行了優化完善，如期完成各項任務。”
創造了新的世界紀錄！研發團隊實驗結果遠優于國際同行，這意味著創造了一個新的世界紀錄。2021年12月，一天淩晨1點多鐘，研發團隊收到了來自美國的郵件：“360—430GHz太赫茲100Gbps實時無線傳輸通信實驗係統”成果入選2022年全球光電、光通訊領域頂級學術盛會OFC Demo Zone。該學術會議代表當今業界該領域的最高技術水準，研發團隊上報的論文也成為太赫茲領域首次大陸學者獨立完成的Demo Zone論文。
研發人員享受成功的喜悅。 南報融媒體記者 繆越攝
一片前景廣闊的“藍海”
太赫茲無線通信被普遍認為是未來6G核心技術。
處于微波與可見光之間的太赫茲頻段被譽為電磁波譜中尚未開發利用的“處女地”，正好也處于電子學向光子學的過渡區域。太赫茲頻段頻譜資源極為豐富，可支援100Gbps—1Tbps超高速率無線通信，從而將現有5G的峰值傳輸速率提升一至兩個量級，能滿足未來6G全息通信、“元宇宙”等新型應用需求。
傳統基于電子學的太赫茲技術受困于電子器件的固有屬性，高頻電子器件的參數逐漸接近理論極限，面臨傳輸損耗大、頻率和頻寬受限等係列難以解決的挑戰問題，而採用光子輔助技術，由于光學器件具有高載頻、大頻寬、傳輸損耗低等特點，可以突破電子器件瓶頸。
尤肖虎介紹，紫金山實驗室選擇光子太赫茲無線通信作為6G全新突破方向，發揮體制機制優勢，聯合東南大學、鵬城實驗室、復旦大學和中國移動等優勢力量，在國家重點研發計劃6G專項等項目的支援下，搭建了國內領先、國際一流的光子太赫茲實驗環境，並持續開展攻堅克難，致力于搶佔6G太赫茲無線通信技術與産業發展先機，獲得6G通信話語權。
經過3年多的攻堅克難，紫金山實驗室光子太赫茲研發團隊首創光子太赫茲光纖一體融合的實時傳輸架構；開創性結合光子上變頻太赫茲産生和光子下變頻太赫茲接收技術，解決了超高容量6G太赫茲實時無線通信難題；搭建出首個360—430GHz太赫茲100/200Gbps實時無線傳輸通信實驗係統，首次實現單波長凈速率103Gbps、雙波長凈速率206Gbps的太赫茲實時無線傳輸，較5G提升10—20倍；創造出目前世界上太赫茲無線通信的最高實時傳輸紀錄。
該項光子太赫茲成果能與目前快速發展中的200—800Gbps光接入網係統實現係統構架與基礎器件上的完美融合，構建一體化、靈活性、易于部署的“光纖—無線”混合接入網絡；推動並加速Tbps量級6G行動通訊係統走向商用的進程，引領6G太赫茲無線通信發展。“這項成果應用前景廣闊。”尤肖虎説，一方面可應用于超高速無線接入和光纖替代場景，與現有光纖網絡融合，實現6G超高速室內、室外廣覆蓋；代替光纖或電纜，實現行動通訊回傳/中傳，節省光纖部署成本，加速推進B5G/6G新基建；替換數據中心的巨量線纜，降低空間成本和維護成本，降低功耗。另一方面可應用于星間通信和空天一體化接入，太赫茲波在外層空間中基本可做到無損傳播，通過極低的功率就可實現超遠距離傳輸；太赫茲高頻特性利于太赫茲係統實現小型化、輕量化，易于部署在星載平臺；搭載衛星、無人機、飛艇等天機平臺和空基平臺，作為無線通信和中繼設備，應用于衛星集群間、天地間和千公里以上的星間高速無線通信場景，實現未來的空天地海一體化通信。（毛慶 馬金 實習生阮佳燁 通訊員張義濤）
