前沿进展 | 首次成功在光子太赫兹通信领域实现超高调制阶数信号传输

太赫兹（THz）波段（0.3~10 THz）具有丰富的频谱资源，能够满足光纤-无限融合通信系统⼤容量传输的需要。在太赫兹波无线通信系统中，使用光子学辅助太赫兹波传输技术可以有效解决电子设备带宽受限和电磁干扰等问题，并能够集合光纤链路的高容量和长跨度等固有优点，灵活地利用太赫兹频段。因此，光子辅助太赫兹技术已经被广泛应用于太赫兹波段无线传输实验中。

同时，为了提高对太赫兹频段的频谱利用率，基于正交频分复用（OFDM）的光纤无线网络因其良好的频谱效率、耐光纤色散的能力和灵活的资源分配引起了人们的广泛关注。但是OFDM信号的高峰值平均功率比使其更容易受到噪声和非线性损伤的影响，因此目前基于OFDM技术的光子辅助太赫兹通信仅限于低阶调制和短距离通信，这也成为许多学者试图解决的基本问题。

为解决上述问题、实现65536 QAM超高阶调制OFDM信号的高速太赫兹通信，该团队提出一个基于delta-sigma调制技术的MIMO太赫兹通信系统。Delta-sigma调制将多位高阶信号序列数字化成低阶符号，可以有效降低非线性效应带来的影响，突出潜在量化信噪比增益的优势；MIMO也为太赫兹通信技术提供巨大的空间分集，提升频谱效率。该系统实现了目前太赫兹传输中可行的最高调制阶数。

系统原理及实验装置图如图1所示。在CS端，为抵抗光纤链路中的色散效应和无线传输中的多径衰落，该系统采用正交频分复用（OFDM）技术对传输信号进行多载波调制，提高传输的整体容量和无线距离。并在发送端DSP中，采用2-bit DSM调制技术对65536 QAM信号进行处理，将输入到DSM中的I路和Q路信号分别编码到PAM-4序列中。I路和Q路的两个分量相互正交，组成一个23-GBaud 16-QAM信号。

但是由于这一16-QAM信号的分布并不均匀，将给接收端DSP中的常模均衡算法（CMA）带来挑战。所以需要采用扰频器保证符号的均匀分布。然后利用一个极化复用器，产生PDMQPSK信号后经过20km SSMF光纤链路传输到远程天线单元（RAU）。在RAU中产生太赫兹频段的光混频信号，经过距离为3米的2×2 MIMO无线传输后，经下变频和采样后进入接收端的离线DSP部分。

在离线DSP阶段，捕获的数据通过下变频为基带信号，重新采样并进行RRCF滤波器匹配。随后采用GSOP正交归一化算法、31-tapT/2空间MIMO-CMA均衡和DDLMS均衡进行载波相位估计，在16-QAM DSP之后，信号必须经过判断后使用解扰器进行DSM恢复，利用LFP消除带外量化噪声，重建原始模拟信号。最后，在OSR为10的降采样后进行65536-QAM OFDM解调。

由于DSM解调依赖于delta-sigma量化信号的传输质量，团队给出了65536-QAM信号在背靠背（BTB）、纯3米无线链路和3米无线混合有线传输三种传输场景下的DSM恢复后的的误码率曲线，如图2（a）所示。

可以看出，三种情况下的误码率均随接收光功率（ROP）的增加而降低。当ROP为6 dBm时，BTB场景下的BER可达到硬决策正向纠错（HD-FEC）阈值3.8×10^-3。当ROP为12 dBm时，考虑到7%的开销，团队成功实现了2.3-GHz 65536-QAM信号的3米的 2×2 MIMO纯无线无错误传输。对于太赫兹无线光纤融合传输的情况，团队也成功地实现了超高阶65536-QAM OFDM信号净传输速率为60.5 Gbit/s的20 km SSMF和2×2 MIMO 3m无线传输。在ROP为13.2 dBm时，恢复得到的65536-QAM的OFDM信号的星座图如图2（b）所示。

该团队提出并演示了基于2-bit DSM技术的光子太赫兹通信系统，结合OFDM和PDM技术，可在320 GHz频段实现65536-QAM信号的传输。在经过20km SSMF和3m 2×2 MIMO无线链路传输后，净速率可达60.5 Gbit/s，低于EVM阈值0.34%，信噪比高达52.6 dB。据了解，这是在太赫兹传输中DSM可实现的最高调制阶数，它为下一代移动通信系统提供了一个高速且高保真的对抗非线性和频率选择性衰落的解决方案。

该工作由复旦大学、南京紫金山实验室、东南大学和北京邮电大学合作完成，复旦大学余建军教授为通讯作者，余建军教授指导的博士生石俊婷为论文第一作者。复旦大学为第一完成单位。研究工作得到了国家自然科学基金的大力支持。

https://doi.org/10.1364/OL.486349

内容来源：公众号《爱光学》