移动通信网 云坪
10月16日，第十届未来网络发展大会在南京上秦淮国际文化交流中心开幕，中国科学院院士、紫金山实验室主任尤肖虎在开幕式上发布了“太赫兹通信光电转换器件优化设计方法与实践”的重磅成果。本届大会由南京市人民政府主办，紫金山实验室、中国通信学会、江苏省未来网络创新研究院、江苏未来网络集团有限公司联合承办，主题为“智能未来网·十年CENI路——共塑新一代通信网的智能底座和产业生态”。“十五五”规划已将6G等六大方向列为未来产业，6G由此成为推动高技术产业升级的国家战略，而太赫兹通信被视为6G技术的最前沿方向，其频段资源丰富，可支撑超宽带通信、沉浸式通信、高精度通信感知一体化等典型场景。此次发布成果的核心，是一颗3dB带宽高达236GHz的超宽带高功率单行载流子光电探测器芯片，填补了国内在该领域的长期空白。长期以来，此类超高速光电转换器件技术仅被日本、德国等极少数国家掌握，国内尚属空白，是太赫兹产业化道路上典型的“卡脖子”环节。
【关键数据】
[1] 3dB带宽236GHz（超宽带高功率单行载流子光电探测器芯片）
[2] 26公里外场传输距离（江宁四进山瞭望塔至国华大厦试验平台）
[3] 100Gbps D波段双极化空口传输速率
[4] 2600Gbps·km空口速率—距离积
[5] DC—260GHz分频段自动化测试平台（覆盖DC—110GHz同轴及110—260GHz波导封装器件研制）
从技术原理看，超高速光电转换芯片是衔接光纤传输与太赫兹无线链路的核心器件，其工作带宽、射频输出功率与封装集成度，直接决定系统能否实现高速率、远距离传输。当前太赫兹通信存在两条并行技术路线：纯电子方案将毫米波频段继续抬升，但频段越高，器件与带宽受限问题越突出；光子路线则由两束光差拍产生太赫兹信号，其技术枢纽在于把光信号转换为太赫兹信号的核心器件。围绕材料、电极、封装三大关键环节，尤肖虎团队逐一攻关。材料环节存在高速与高功率相互制约的矛盾，团队通过外延、能带与电磁场的一体化协同优化，在带宽拓展与饱和功率之间求得折中；电极环节，宽带频响长期依赖复杂的经验调试，团队融合物理仿真与多任务神经网络，提出器件结构与高频电极协同优化方法，以目标频响为输入开展逆向设计，使电极结构由“反复试错”转向“按需定制”；封装环节，极高频段下寄生效应显著，稍有偏差便会拖累性能，团队以高速互联与电磁场协同设计实现低损耗封装集成。最终研制出的芯片3dB带宽达236GHz，并搭建了DC—260GHz分频段自动化测试平台。
在验证体系上，尤肖虎团队完成了DC—110GHz同轴封装及110—260GHz波导封装器件的研制，建立起从智能设计、微纳制备、封装测试到系统验证的全链条研发体系。器件的价值最终要在系统中检验。基于自研器件，团队在江宁四进山瞭望塔与国华大厦之间搭建了26公里外场试验平台，实现了D波段双极化100Gbps空口传输，空口速率—距离积达到2600Gbps·km。在无线通信领域，速率与距离通常难以兼顾，业界多以二者的乘积衡量系统能力，2600Gbps·km这一指标在国际太赫兹外场试验中处于领先水平，表明自研核心器件已具备支撑百Gbps级远距离无线传输的能力，完成了从芯片研制到长距离系统传输的贯通验证。横向对比看，目前国际上报导的太赫兹通信试验多集中于百米至数公里量级，26公里的传输距离大幅拉长了实际应用场景的想象空间，而这一突破的根基正是236GHz带宽的自研芯片。
从产业链角度分析，超高速光电转换芯片处于光通信与无线通信的交汇节点，向上牵动外延材料生长、微纳加工工艺，向下决定太赫兹基站、光纤—无线融合系统的整机能力。此前国内该类器件依赖进口，日本、德国厂商占据主导地位，供应链安全存在隐患。尤肖虎团队此次实现材料、电极、封装全链条自主突破，意味着国内太赫兹产业首次拥有了不依赖海外的核心器件供给能力。在合作布局上，团队联合东南大学加速芯片设计智能化，联合苏州纳米所为芯片制造全流程赋能，联合中国移动构建芯片应用新方案，联合紫金山集团探索芯片落地应用新范式——从高校到科研院所，从运营商到产业集团，一条贯通设计、制造、应用与落地的完整创新链正在成形。这种“产学研用”协同模式缩短了从实验室到产业化的距离，也降低了各环节的重复研发成本。
商业化落地方面，太赫兹光电转换芯片的应用场景正在快速扩展。其一是6G前传与回传链路，在光纤铺设困难的山区、跨海、城市楼宇间场景，26公里、100Gbps的传输能力可直接替代部分光纤部署；其二是D波段双极化技术带来的频谱效率提升，为运营商在高密度城区提供超宽带无线接入的新选项；其三是通信感知一体化场景，太赫兹频段的高精度感知能力可用于低空无人机监管、智能交通等新兴领域。中国移动的参与尤为关键，作为国内最大运营商，其现网需求和规模试验能力是芯片走向规模商用的重要推手。此次外场试验选择的江宁四进山瞭望塔与国华大厦之间的26公里链路，模拟的正是典型的城域传输环境，验证结果对后续商用部署具有直接参考价值。紫金山实验室近年来已连续发布多项6G阶段性成果，此次核心器件突破补上了此前系统验证中器件受制于人的短板。
从行业趋势看，全球6G研发已进入关键窗口期，各国围绕太赫兹频段的竞争日趋激烈，日本NTT、德国弗劳恩霍夫研究所等机构在光电转换器件领域布局多年，此次国内实现236GHz带宽芯片的自主研制，改写了该领域由极少数国家垄断的格局。“十五五”规划将6G列为未来产业后，太赫兹产业化所需的频谱规划、标准制定、器件供给三大要素中，器件环节的自主可控已率先落地。对于国内光芯片产业链而言，这一突破将带动外延生长、高速电极工艺、波导封装测试等配套环节的能力升级，苏州纳米所参与的制造全流程赋能即是例证。下一步，随着芯片设计智能化水平提升和制造成熟度爬坡，器件成本有望下探至规模商用区间，为2030年前后6G商用奠定核心器件基础。从材料、电极到封装测试的全链条自主突破，标志着我国在6G最前沿的核心器件领域站稳了脚跟。
