导读
近日，东南大学、紫金山实验室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），结合提出的简化的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300GHz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，于2026年5月9日发表在国际顶级期刊《Light: Science & Applications》上，该期刊由中科院长春光机所和中国光学学会主办、Nature集团合作出版，最新影响因子23.4。论文作者为紫金山实验室蔡沅成、张教、华炳昌、丁俊杰、雷明政、陈星宇，东南大学李建康、辛志刚、黄永明教授、朱敏教授、尤肖虎院士，中国电科12所张琳、马可心、边兴旺、刘英洲、蔡军主任、潘攀主任、冯进军首席科学家，其中，蔡沅成、张教、华炳昌副研究员和张琳高级工程师为论文共同第一作者，朱敏教授、尤肖虎院士和冯进军首席科学家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，受限于发射功率低、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，研究团队研制了一种大功率、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 ）展示了破纪录的公里尺度太赫兹无线通信。
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
亮点介绍
1.研制了国际首款335 GHz连续波行波管放大器
335 GHz太赫兹连续波TWTA设计：项目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
335 GHz太赫兹连续波TWTA表征：项目团队采用光外差技术将间隔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）。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。
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
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
混合光电子协同驱动的335 GHz 2.2公里太赫兹无线传输：基于上述连续波行波管放大器，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，实现335 GHz太赫兹信号发射功率提升超过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。
面向简化分集接收的智能最大比合并处理算法：基于上述简化版单发双收空间分集接收架构，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8层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
文章信息：Y. Cai†, L. Zhang†, J. Zhang†, B. Hua†, K. Ma, J. Ding, X. Bian, M. Lei, Y. Liu, J. Li, Z. Xin, X. Chen, J. Cai, P. Pan, Y. Huang, J. Feng*, M. Zhu* and X. You*. Surpassing kilometer-scale terahertz wireless communication beyond 300 GHz enabled by hybrid photonic–electronic synergy. Light-Science & Applications, 15, 228 (2026).
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-026-02321-6
排版：范泽源
