當(dāng)全球無線通信數(shù)據(jù)流量呈爆炸式增長，傳統(tǒng)頻譜資源日趨緊張，太赫茲（THz）頻段正成為下一代通信技術(shù)競爭的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。然而，300GHz以上頻段長期面臨一道難以逾越的工程鴻溝：路徑損耗大、發(fā)射功率低、接收靈敏度差，使得光子輔助太赫茲系統(tǒng)的無線傳輸距離始終停留在數(shù)十米至數(shù)百米量級(jí)，遠(yuǎn)不能滿足無線前傳/回傳（fronthaul/backhaul）的實(shí)際部署需求。近日，由中國紫金山實(shí)驗(yàn)室（Purple Mountain Laboratories）與東南大學(xué)聯(lián)合開展的一項(xiàng)研究，首次在335GHz頻段實(shí)現(xiàn)了2.2公里無線鏈路、凈速率27.84 Gbit/s的太赫茲通信，速率距離積達(dá)到61,248 Gbit/s·m，刷新了300GHz以上頻段的全球紀(jì)錄，相關(guān)成果發(fā)表于國際期刊《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications）。

太赫茲頻段擁有數(shù)十至數(shù)百吉比特每秒的潛在傳輸容量，天然適合應(yīng)對(duì)未來無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)高速率、大帶寬的迫切需求。特別是在光纖鋪設(shè)代價(jià)極高或地形條件苛刻的山地、河流、偏遠(yuǎn)地區(qū)，高頻太赫茲無線鏈路可作為光纖骨干網(wǎng)的延伸節(jié)點(diǎn)，顯著降低整體部署成本。在此背景下，光子輔助太赫茲通信技術(shù)因其固有的高頻率、高速率和與光纖基礎(chǔ)設(shè)施無縫融合等優(yōu)勢(shì)，被廣泛認(rèn)為是Zui具前景的技術(shù)路線之一。然而，該路線長期受制于兩大核心瓶頸：一是300GHz以上頻段的大氣傳播損耗極為嚴(yán)峻，在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下1公里傳輸總損耗可超過150dB；二是常用的單行程載流子光電二極管（UTC-PD）在完成光-太赫茲（O/T）轉(zhuǎn)換時(shí)，功率轉(zhuǎn)換效率不足2%，導(dǎo)致太赫茲信號(hào)輸出功率通常僅在微瓦量級(jí)。兩重?fù)p耗疊加，使得公里級(jí)傳輸長期是行業(yè)公認(rèn)的技術(shù)難題。

研究團(tuán)隊(duì)為攻克上述難題，采取了光電融合協(xié)同的系統(tǒng)策略，將光子輔助太赫茲信號(hào)生成、高功率太赫茲放大與空間分集接收三大模塊有機(jī)整合。其中，自主研制的335GHz連續(xù)波行波管放大器（TWTA）是整套系統(tǒng)的核心突破所在。

行波管放大器（TWTA）在各類太赫茲放大組件中以高功率、高增益、高可靠性著稱，相較于固態(tài)功率放大器（SSPA），其在相近頻段的輸出功率可高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。然而，將行波管放大器拓展至300GHz以上頻段面臨嚴(yán)峻的工程挑戰(zhàn)：慢波結(jié)構(gòu)（SWS）內(nèi)的嚴(yán)重衰減損耗會(huì)削弱電子束與電磁波的能量交換效率；而器件微型化帶來的尺寸約束——關(guān)鍵尺寸縮減至微米量級(jí)——使得電子束路徑的微小偏差即可大幅降低傳輸效率，并因微尺度散射和過度熱負(fù)荷而阻礙連續(xù)波工作，而連續(xù)波工作正是太赫茲通信應(yīng)用的基本前提。

研究團(tuán)隊(duì)在前期交錯(cuò)雙脊（SDV）慢波結(jié)構(gòu)研究成果（在335GHz實(shí)現(xiàn)1.6W輸出功率）的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出了改進(jìn)圓弧彎折（MCB）折疊波導(dǎo)慢波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)受重入腔場約束機(jī)制啟發(fā)，通過在折疊波導(dǎo)彎曲段引入幾何加載，擴(kuò)大波導(dǎo)彎曲弧度，從而有效重新分布關(guān)鍵區(qū)域的電場分布。具體而言，通過有策略地增大外弧波導(dǎo)半徑，顯著增強(qiáng)了直線段軸向電場強(qiáng)度，進(jìn)而改善了束波耦合動(dòng)力學(xué)特性，Zui大化了電子束與電磁波之間的能量傳遞效率。仿真結(jié)果表明，基于改進(jìn)圓弧彎折結(jié)構(gòu)的耦合阻抗在335GHz處達(dá)到1.7Ω，是團(tuán)隊(duì)原有交錯(cuò)雙脊設(shè)計(jì)（0.28Ω）的6倍，印證了該幾何創(chuàng)新的有效性。

在優(yōu)化工作點(diǎn)方面，團(tuán)隊(duì)將中心頻率與截止頻率之比（f0/fc）設(shè)定在約1.10（f0≈339GHz，fc≈311GHz），使工作點(diǎn)向2π點(diǎn)靠近，從而大幅提升了互作用阻抗特性和輸出功率表現(xiàn)。粒子模擬（PIC）仿真預(yù)測，該行波管放大器電路輸出功率可超過2W，帶寬6GHz，Zui大增益52.8 dB（334GHz），飽和輸出功率4.76W（335GHz）。

器件制造方面，團(tuán)隊(duì)采用高精度微銑削工藝加工核心慢波結(jié)構(gòu)，配合超薄金剛石真空窗口和多級(jí)降壓收集極（用于能量回收），成功研制出可連續(xù)波工作的335GHz行波管放大器模塊。實(shí)測結(jié)果顯示：在332至337GHz頻率范圍內(nèi)，輸出功率均可超過1W（即30dBm），Zui高輸出功率在335.5GHz處接近4W（約36dBm）；增益在330.5至338.5GHz的8GHz帶寬內(nèi)保持30dB以上，峰值增益約52dB（334.5GHz）；整機(jī)功率效率約為3%，創(chuàng)下該頻段行波管放大器的實(shí)測Zui高效率紀(jì)錄。金剛石能量窗口的測試結(jié)果同樣亮眼：在329至341GHz的10GHz頻率范圍內(nèi)，插入損耗（S21）小于1dB，反射特性（S11）低于-23dB，展現(xiàn)出優(yōu)異的低損耗和匹配特性。

在高功率發(fā)射端之外，研究團(tuán)隊(duì)還針對(duì)遠(yuǎn)距離室外太赫茲通信對(duì)接收靈敏度的嚴(yán)苛要求，設(shè)計(jì)了單發(fā)雙收分集接收方案，通過空間分集將接收信噪比提升約3dB。整套發(fā)射系統(tǒng)由電光調(diào)制、光-太赫茲轉(zhuǎn)換和高功率放大三大模塊組成：任意波形發(fā)生器（AWG）產(chǎn)生的復(fù)基帶信號(hào)經(jīng)同相/正交（IQ）調(diào)制器進(jìn)行電光調(diào)制；兩臺(tái)獨(dú)立可調(diào)諧激光器分別作為光載波（LD1）和光本振（LD2），頻率間隔設(shè)定為335GHz；調(diào)制光信號(hào)與未調(diào)制光本振合路、放大、偏振對(duì)齊后，經(jīng)單行程載流子光電二極管進(jìn)行外差光混頻，生成335GHz太赫茲信號(hào)；微弱的太赫茲信號(hào)隨即由高功率連續(xù)波行波管放大器放大，并經(jīng)集成柱面透鏡號(hào)筒天線（CLHA）輻射至空中。收發(fā)兩端通過三軸可調(diào)云臺(tái)三腳架配合望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)波束對(duì)準(zhǔn)，先粗調(diào)再精調(diào)，確保鏈路對(duì)準(zhǔn)精度。

Zui終，團(tuán)隊(duì)在南京紫金山實(shí)驗(yàn)室（發(fā)射端）與東南大學(xué)（接收端）之間建立了一條2.2公里城市視距太赫茲無線鏈路，沿途穿越四條城市河流。在335GHz大氣窗口頻段，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了線速率Zui高34.8 Gbit/s、凈速率27.84 Gbit/s的無線傳輸，速率距離積達(dá)到61,248 Gbit/s·m，據(jù)研究團(tuán)隊(duì)所知，這是迄今為止300GHz以上頻段有據(jù)可查的Zui高紀(jì)錄。

這一成果的意義不僅在于刷新了技術(shù)指標(biāo)，更在于它打通了光子輔助太赫茲通信從"實(shí)驗(yàn)室演示"走向"公里級(jí)實(shí)用部署"的關(guān)鍵通道。光電融合架構(gòu)將寬帶光-太赫茲轉(zhuǎn)換與高功率太赫茲放大集于緊湊系統(tǒng)之中，有望大幅加速太赫茲無線鏈路與成熟光纖基礎(chǔ)設(shè)施的深度融合，為下一代無線前傳/回傳網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)急通信場景提供切實(shí)可行的解決方案。