刷新世界紀錄！這項全球重大原創(chuàng)成果為何在南京誕生

1月4日，南京紫金山實驗室副主任、首席科學家，東南大學信息科學與工程學院尤肖虎教授發(fā)布重大原創(chuàng)成果——360—430GHz太赫茲100/200Gbps實時無線傳輸通信實驗系統(tǒng)，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(chuàng)成果，為何會誕生在南京?背后有怎樣的故事?近日，南報融媒體記者走進位于南京市江寧區(qū)的紫金山實驗室，對該研究團隊進行了專訪。

一群天南海北的年輕人

當前，5G在全球范圍內(nèi)大規(guī)模部署，更多關鍵能力正處于標準化進程中，例如大規(guī)模連接、高可靠性和有保障的低時延。但是，5G并不能滿足2030年及之后的未來網(wǎng)絡需求，6G的研究正在全球興起。

在移動通信領域，東南大學擁有雄厚的研發(fā)實力。作為移動通信技術(shù)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(shù)的研發(fā)工作，也見證了我國通信技術(shù)從2G落后、3G追趕，到4G并駕齊驅(qū)、5G領先的整個過程。

“隨著5G的發(fā)展，人們對帶寬的要求、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。”東南大學信息科學與工程學院副教授朱敏說，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(shù)路線來實現(xiàn)太赫茲無線通信，并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(zhàn)略科研平臺，聚焦網(wǎng)絡操作系統(tǒng)、毫米波芯片和網(wǎng)絡內(nèi)生安全等關鍵命脈技術(shù)實施科研任務攻關和科技成果轉(zhuǎn)化，構(gòu)建“中國網(wǎng)絡2030”新型體系與綜合試驗環(huán)境，這與尤肖虎團隊致力于在太赫茲無線通信領域的研發(fā)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(yōu)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(shù)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(shù)研發(fā)團隊。“尤肖虎教授作為實驗室首席科學家，在課題設置、技術(shù)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。”朱敏說。

研發(fā)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(yè)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(shù)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(fā)團隊聚焦面向6G的超寬帶光子毫米波太赫茲通信技術(shù)，展開了從基礎理論、系統(tǒng)架構(gòu)到樣機產(chǎn)品的科研攻關。每位研發(fā)人員按照自己的專業(yè)和研究方向承擔對應課題子任務，大家分工合作、優(yōu)勢互補，全力以赴攻克一道道科研難題。

一間價值千萬的實驗室

走進紫金山實驗室大樓內(nèi)的普適通信研究中心，長長的過道兩側(cè)，是一間間外觀相似的實驗室。門框上都掛著一塊叫“調(diào)試間”的門牌，唯一能區(qū)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，房間里一顆螺絲釘都沒有，前期采購的部分設備都暫存在倉庫里。”張教說，研發(fā)團隊成員首先是組裝、調(diào)試設備，“真正的白手起家，一邊搭建實驗室環(huán)境，一邊著手理論研究與仿真實驗。”

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，但后起也有后起的優(yōu)勢。“我們直接瞄準國際最新標準，采購設備、開展研發(fā)。”朱敏告訴記者，這在很大程度上實現(xiàn)了研發(fā)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行機制，為課題組的研發(fā)在人員、經(jīng)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采購，重要設備通過專家論證等環(huán)節(jié)，一個月內(nèi)就能完成審批進行采購。”朱敏說，目前在這間不大的調(diào)試間內(nèi)，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(fā)團隊成功調(diào)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。”張教說，這驗證了光子太赫茲這條技術(shù)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(fā)團隊進入了最后的技術(shù)攻關階段。“當時遇到了好幾個技術(shù)難題。”張教回憶，首先是信號調(diào)不通，研發(fā)人員從設備發(fā)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(shù)十個方案，最終將難題全部消滅。所謂關關難過關關過。然后是9月份的一個晚上，用于檢測接收信號質(zhì)量的“高端示波器”突然發(fā)出異常鳴叫，接著藍屏、死機，罷工了。“我們又緊急聯(lián)系成都的廠家，送一臺樣機過來替代使用。研發(fā)任務緊迫，耽誤的每一天都是一種煎熬。”張教說。

幸福來得太突然!2021年9月28日，團隊的幾名研發(fā)人員完成了360GHz太赫茲100Gbps實時無線傳輸通信實驗系統(tǒng)調(diào)試，實驗室顯示屏幕上顯示：調(diào)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(shù)據(jù)。”當實驗調(diào)通的那一瞬間，朱敏說，幸福來得太突然。因為10月中旬，研發(fā)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(shù)盛會OFC，“我們利用國慶假期對整個系統(tǒng)性能進行了優(yōu)化完善，如期完成各項任務。”

創(chuàng)造了新的世界紀錄!研發(fā)團隊實驗結(jié)果遠優(yōu)于國際同行，這意味著創(chuàng)造了一個新的世界紀錄。2021年12月，一天凌晨1點多鐘，研發(fā)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系統(tǒng)”成果入選2022年全球光電、光通訊領域頂級學術(shù)盛會OFC Demo Zone。該學術(shù)會議代表當今業(yè)界該領域的最高技術(shù)水平，研發(fā)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。

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(shù)。

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(fā)利用的“處女地”，正好也處于電子學向光子學的過渡區(qū)域。太赫茲頻段頻譜資源極為豐富，可支持100Gbps—1Tbps超高速率無線通信，從而將現(xiàn)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(tǒng)基于電子學的太赫茲技術(shù)受困于電子器件的固有屬性，高頻電子器件的參數(shù)逐漸接近理論極限，面臨傳輸損耗大、頻率和帶寬受限等系列難以解決的挑戰(zhàn)問題，而采用光子輔助技術(shù)，由于光學器件具有高載頻、大帶寬、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(fā)揮體制機制優(yōu)勢，聯(lián)合東南大學、鵬城實驗室、復旦大學和中國移動等優(yōu)勢力量，在國家重點研發(fā)計劃6G專項等項目的支持下，搭建了國內(nèi)領先、國際一流的光子太赫茲實驗環(huán)境，并持續(xù)開展攻堅克難，致力于搶占6G太赫茲無線通信技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展先機，獲得6G通信話語權(quán)。

經(jīng)過3年多的攻堅克難，紫金山實驗室光子太赫茲研發(fā)團隊首創(chuàng)光子太赫茲光纖一體融合的實時傳輸架構(gòu);開創(chuàng)性結(jié)合光子上變頻太赫茲產(chǎn)生和光子下變頻太赫茲接收技術(shù)，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系統(tǒng)，首次實現(xiàn)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(chuàng)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(fā)展中的200—800Gbps光接入網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)架與基礎器件上的完美融合，構(gòu)建一體化、靈活性、易于部署的“光纖—無線”混合接入網(wǎng)絡;推動并加速Tbps量級6G移動通信系統(tǒng)走向商用的進程，引領6G太赫茲無線通信發(fā)展。“這項成果應用前景廣闊。”尤肖虎說，一方面可應用于超高速無線接入和光纖替代場景，與現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡融合，實現(xiàn)6G超高速室內(nèi)、室外廣覆蓋;代替光纖或電纜，實現(xiàn)移動通信回傳/中傳，節(jié)省光纖部署成本，加速推進B5G/6G新基建;替換數(shù)據(jù)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(xiàn)超遠距離傳輸;太赫茲高頻特性利于太赫茲系統(tǒng)實現(xiàn)小型化、輕量化，易于部署在星載平臺;搭載衛(wèi)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(wèi)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(xiàn)未來的空天地海一體化通信。

南報融媒體記者 毛慶 馬金 實習生 阮佳燁 通訊員 張義濤