刷新世界紀(jì)錄！這項(xiàng)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(shí)驗(yàn)室副主任、首席科學(xué)家，東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院尤肖虎教授發(fā)布重大原創(chuàng)成果——360—430GHz太赫茲100/200Gbps實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸通信實(shí)驗(yàn)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(kāi)報(bào)道的太赫茲實(shí)時(shí)無(wú)線通信最高實(shí)時(shí)傳輸紀(jì)錄就此被刷新。

這項(xiàng)重大原創(chuàng)成果，為何會(huì)誕生在南京?背后有怎樣的故事?近日，南報(bào)融媒體記者走進(jìn)位于南京市江寧區(qū)的紫金山實(shí)驗(yàn)室，對(duì)該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了專訪。

一群天南海北的年輕人

當(dāng)前，5G在全球范圍內(nèi)大規(guī)模部署，更多關(guān)鍵能力正處于標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中，例如大規(guī)模連接、高可靠性和有保障的低時(shí)延。但是，5G并不能滿足2030年及之后的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)需求，6G的研究正在全球興起。

在移動(dòng)通信領(lǐng)域，東南大學(xué)擁有雄厚的研發(fā)實(shí)力。作為移動(dòng)通信技術(shù)的領(lǐng)軍者，尤肖虎從上世紀(jì)90年代起，就開(kāi)始負(fù)責(zé)承擔(dān)該領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的研發(fā)工作，也見(jiàn)證了我國(guó)通信技術(shù)從2G落后、3G追趕，到4G并駕齊驅(qū)、5G領(lǐng)先的整個(gè)過(guò)程。

“隨著5G的發(fā)展，人們對(duì)帶寬的要求、傳輸速率的要求會(huì)越來(lái)越高，這個(gè)時(shí)候，無(wú)線通信需要光通信的加持來(lái)進(jìn)一步提高它的傳輸速率。”東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院副教授朱敏說(shuō)，在尤肖虎教授的指導(dǎo)下，他們選擇了光子太赫茲這條全新技術(shù)路線來(lái)實(shí)現(xiàn)太赫茲無(wú)線通信，并成立了光子太赫茲課題組。

紫金山實(shí)驗(yàn)室是江蘇省和南京市重點(diǎn)打造的服務(wù)國(guó)家重大科技戰(zhàn)略科研平臺(tái)，聚焦網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、毫米波芯片和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生安全等關(guān)鍵命脈技術(shù)實(shí)施科研任務(wù)攻關(guān)和科技成果轉(zhuǎn)化，構(gòu)建“中國(guó)網(wǎng)絡(luò)2030”新型體系與綜合試驗(yàn)環(huán)境，這與尤肖虎團(tuán)隊(duì)致力于在太赫茲無(wú)線通信領(lǐng)域的研發(fā)不謀而合。

“紫金山實(shí)驗(yàn)室一成立，我們課題組就來(lái)落戶了。”朱敏告訴記者，2020年，他們從復(fù)旦大學(xué)、北京郵電大學(xué)、電子科技大學(xué)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(jìn)復(fù)旦大學(xué)國(guó)家特聘專家余建軍教授擔(dān)任課題組高級(jí)技術(shù)顧問(wèn)，初步形成了以專家和教授為領(lǐng)隊(duì)、博士為中堅(jiān)力量的技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)。“尤肖虎教授作為實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家，在課題設(shè)置、技術(shù)路線把控等方面給予全程指導(dǎo)，余建軍教授在項(xiàng)目攻堅(jiān)上給予課題組及時(shí)的指導(dǎo)點(diǎn)撥。”朱敏說(shuō)。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)的絕大部分成員都是來(lái)自天南海北的年輕人。張教博士老家在山東，畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)，他告訴記者，選擇來(lái)紫金山實(shí)驗(yàn)室，是因?yàn)檎J(rèn)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(lái)到南京，和他一起來(lái)的還有妻子和孩子，“紫金山實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)很好，收入待遇也不錯(cuò)，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(bǔ)貼，可以補(bǔ)貼5年。”

就這樣，近20人的研發(fā)團(tuán)隊(duì)聚焦面向6G的超寬帶光子毫米波太赫茲通信技術(shù)，展開(kāi)了從基礎(chǔ)理論、系統(tǒng)架構(gòu)到樣機(jī)產(chǎn)品的科研攻關(guān)。每位研發(fā)人員按照自己的專業(yè)和研究方向承擔(dān)對(duì)應(yīng)課題子任務(wù)，大家分工合作、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，全力以赴攻克一道道科研難題。

一間價(jià)值千萬(wàn)的實(shí)驗(yàn)室

走進(jìn)紫金山實(shí)驗(yàn)室大樓內(nèi)的普適通信研究中心，長(zhǎng)長(zhǎng)的過(guò)道兩側(cè)，是一間間外觀相似的實(shí)驗(yàn)室。門(mén)框上都掛著一塊叫“調(diào)試間”的門(mén)牌，唯一能區(qū)別的，是門(mén)框上不同的房間號(hào)。

光子太赫茲課題組的實(shí)驗(yàn)室就是其中一間。記者推門(mén)而入，看到房間四周和中央都布滿了各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備。“2020年6月我們剛來(lái)的時(shí)候，房間里一顆螺絲釘都沒(méi)有，前期采購(gòu)的部分設(shè)備都暫存在倉(cāng)庫(kù)里。”張教說(shuō)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成員首先是組裝、調(diào)試設(shè)備，“真正的白手起家，一邊搭建實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，一邊著手理論研究與仿真實(shí)驗(yàn)。”

光子太赫茲領(lǐng)域的研究，一些國(guó)外先進(jìn)國(guó)家比我國(guó)早2—3年，但后起也有后起的優(yōu)勢(shì)。“我們直接瞄準(zhǔn)國(guó)際最新標(biāo)準(zhǔn)，采購(gòu)設(shè)備、開(kāi)展研發(fā)。”朱敏告訴記者，這在很大程度上實(shí)現(xiàn)了研發(fā)高起點(diǎn)、高效率。同時(shí)，紫金山實(shí)驗(yàn)室首席科學(xué)家負(fù)責(zé)制等靈活開(kāi)放的運(yùn)行機(jī)制，為課題組的研發(fā)在人員、經(jīng)費(fèi)等方面提供了有力保障。“一些小型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，短短幾天就能走完審批流程實(shí)施采購(gòu)，重要設(shè)備通過(guò)專家論證等環(huán)節(jié)，一個(gè)月內(nèi)就能完成審批進(jìn)行采購(gòu)。”朱敏說(shuō)，目前在這間不大的調(diào)試間內(nèi)，設(shè)備投入接近2000萬(wàn)元。

令人興奮的第一束光子毫米波!2020年12月，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功調(diào)試出第一束光子毫米波，在100GHz的W頻段。“當(dāng)看到顯示屏上實(shí)時(shí)視頻流傳輸成功的時(shí)候，特別興奮。”張教說(shuō)，這驗(yàn)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(lì)。

難忘的攻堅(jiān)克難!2021年6月起，研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)入了最后的技術(shù)攻關(guān)階段。“當(dāng)時(shí)遇到了好幾個(gè)技術(shù)難題。”張教回憶，首先是信號(hào)調(diào)不通，研發(fā)人員從設(shè)備發(fā)射端起到接收端，逐段逐段尋找問(wèn)題，近兩個(gè)月時(shí)間嘗試了數(shù)十個(gè)方案，最終將難題全部消滅。所謂關(guān)關(guān)難過(guò)關(guān)關(guān)過(guò)。然后是9月份的一個(gè)晚上，用于檢測(cè)接收信號(hào)質(zhì)量的“高端示波器”突然發(fā)出異常鳴叫，接著藍(lán)屏、死機(jī)，罷工了。“我們又緊急聯(lián)系成都的廠家，送一臺(tái)樣機(jī)過(guò)來(lái)替代使用。研發(fā)任務(wù)緊迫，耽誤的每一天都是一種煎熬。”張教說(shuō)。

幸福來(lái)得太突然!2021年9月28日，團(tuán)隊(duì)的幾名研發(fā)人員完成了360GHz太赫茲100Gbps實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)試，實(shí)驗(yàn)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(kāi)始測(cè)，到370、380，一直測(cè)到430GHz，拿到了整套數(shù)據(jù)。”當(dāng)實(shí)驗(yàn)調(diào)通的那一瞬間，朱敏說(shuō)，幸福來(lái)得太突然。因?yàn)?0月中旬，研發(fā)團(tuán)隊(duì)就要把這個(gè)成果以論文形式先上報(bào)給全球光電、光通訊領(lǐng)域頂級(jí)學(xué)術(shù)盛會(huì)OFC，“我們利用國(guó)慶假期對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能進(jìn)行了優(yōu)化完善，如期完成各項(xiàng)任務(wù)。”

創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄!研發(fā)團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)際同行，這意味著創(chuàng)造了一個(gè)新的世界紀(jì)錄。2021年12月，一天凌晨1點(diǎn)多鐘，研發(fā)團(tuán)隊(duì)收到了來(lái)自美國(guó)的郵件：“360—430GHz太赫茲100Gbps實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”成果入選2022年全球光電、光通訊領(lǐng)域頂級(jí)學(xué)術(shù)盛會(huì)OFC Demo Zone。該學(xué)術(shù)會(huì)議代表當(dāng)今業(yè)界該領(lǐng)域的最高技術(shù)水平，研發(fā)團(tuán)隊(duì)上報(bào)的論文也成為太赫茲領(lǐng)域首次大陸學(xué)者獨(dú)立完成的Demo Zone論文。

一片前景廣闊的“藍(lán)海”

太赫茲無(wú)線通信被普遍認(rèn)為是未來(lái)6G核心技術(shù)。

處于微波與可見(jiàn)光之間的太赫茲頻段被譽(yù)為電磁波譜中尚未開(kāi)發(fā)利用的“處女地”，正好也處于電子學(xué)向光子學(xué)的過(guò)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(wú)線通信，從而將現(xiàn)有5G的峰值傳輸速率提升一至兩個(gè)量級(jí)，能滿足未來(lái)6G全息通信、“元宇宙”等新型應(yīng)用需求。

傳統(tǒng)基于電子學(xué)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(wèn)題，而采用光子輔助技術(shù)，由于光學(xué)器件具有高載頻、大帶寬、傳輸損耗低等特點(diǎn)，可以突破電子器件瓶頸。

尤肖虎介紹，紫金山實(shí)驗(yàn)室選擇光子太赫茲無(wú)線通信作為6G全新突破方向，發(fā)揮體制機(jī)制優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合東南大學(xué)、鵬城實(shí)驗(yàn)室、復(fù)旦大學(xué)和中國(guó)移動(dòng)等優(yōu)勢(shì)力量，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃6G專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持下，搭建了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際一流的光子太赫茲實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并持續(xù)開(kāi)展攻堅(jiān)克難，致力于搶占6G太赫茲無(wú)線通信技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展先機(jī)，獲得6G通信話語(yǔ)權(quán)。

經(jīng)過(guò)3年多的攻堅(jiān)克難，紫金山實(shí)驗(yàn)室光子太赫茲研發(fā)團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)光子太赫茲光纖一體融合的實(shí)時(shí)傳輸架構(gòu);開(kāi)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(shí)時(shí)無(wú)線通信難題;搭建出首個(gè)360—430GHz太赫茲100/200Gbps實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)單波長(zhǎng)凈速率103Gbps、雙波長(zhǎng)凈速率206Gbps的太赫茲實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸，較5G提升10—20倍;創(chuàng)造出目前世界上太赫茲無(wú)線通信的最高實(shí)時(shí)傳輸紀(jì)錄。

該項(xiàng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)架與基礎(chǔ)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(wú)線”混合接入網(wǎng)絡(luò);推動(dòng)并加速Tbps量級(jí)6G移動(dòng)通信系統(tǒng)走向商用的進(jìn)程，引領(lǐng)6G太赫茲無(wú)線通信發(fā)展。“這項(xiàng)成果應(yīng)用前景廣闊。”尤肖虎說(shuō)，一方面可應(yīng)用于超高速無(wú)線接入和光纖替代場(chǎng)景，與現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)融合，實(shí)現(xiàn)6G超高速室內(nèi)、室外廣覆蓋;代替光纖或電纜，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信回傳/中傳，節(jié)省光纖部署成本，加速推進(jìn)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(hù)成本，降低功耗。另一方面可應(yīng)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(wú)損傳播，通過(guò)極低的功率就可實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離傳輸;太赫茲高頻特性利于太赫茲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化，易于部署在星載平臺(tái);搭載衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、飛艇等天機(jī)平臺(tái)和空基平臺(tái)，作為無(wú)線通信和中繼設(shè)備，應(yīng)用于衛(wèi)星集群間、天地間和千公里以上的星間高速無(wú)線通信場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)未來(lái)的空天地海一體化通信。

南報(bào)融媒體記者 毛慶 馬金 實(shí)習(xí)生 阮佳燁 通訊員 張義濤