首次演示 420 GHz 以上的 100 Gbps 级无线通信 ~用于光子 6G 的超高速移动回程技术
徳島大学ポストLEDフォトニクス研究所
由德岛大学 LED 后光子学研究所/光子学健康前沿研究所的时光优讲师、岸川宏树副教授、久濑直也教授和安井武教授领导的研究小组，德岛大学前沿科学研究生院的菊原拓美研究生，德岛大学 LED 后光子学研究所的长沼忠夫客座教授，以及德岛大学光子学健康前沿研究所的武信太郎教授（Professor Shintaro Take）组成。Take Shintaro 教授的研究小组开发了一种微光梳驱动太赫兹通信系统，以实现稳定、高速的无线通信。
<要点>
该研究小组开发了一种微光梳状驱动太赫兹通信系统，以实现稳定、高速的无线通信。
使用光纤微光梳的太赫兹传输在 560 GHz 频段内实现了单通道 112 Gbps 无线传输。
这一成果有望为实现超高速移动回程通信和 6G 光/无线融合网络奠定技术基础。
<报告摘要>
通过将无线电载波频率提高到更高频率，移动通信的速度和容量不断提高。预计将于 2030 年代投入使用的下一代移动通信（6G）（注释 1）有望利用 300 GHz 以上的太赫兹波，但在 350 GHz 以上的区域，传统电子设备存在局限性。然而，在350千兆赫以上的区域，由于传统电子技术产生信号的局限性和相位噪声的增加，一直难以实现稳定和高速的无线通信。
A research group led by Lecturer Yu Tokimitsu, Associate Professor Hiroki Kishikawa, Professor Naoya Kuze and Professor Takeshi Yasui of the University of Tokushima's Post-LED Photonics Laboratory / Photonics Health Frontier Research Institute, Graduate Student Takumi Kikuhara of the Graduate School of Frontier Sciences, the University of Tokushima, Visiting Professor Tadao Nagatsuma of the Post-LED Photonics Laboratory at the University of Tokushima and Professor HisaTake Shintaro 教授的研究小组开发了一种微光梳驱动的太赫兹通信系统，该系统结合了利用光纤连接的微光梳（注释 2）产生太赫兹波和多级调制技术来解决这些问题（图 1）。该系统利用微光梳的高稳定频率特性生成低相位噪声的太赫兹载波，并已在 560 GHz 频段演示了单通道 112 Gbps 无线传输。这比传统的几十 Gbps 级速度更快。
这一成果首次证明了在 420 GHz 以上区域实现 100 Gbps 级无线通信的可行性，有望为实现 6G 的超高速回程通信和光-无线融合网络奠定重要的技术基础。
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德岛大学 LED 后光子学研究所安井研究室
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图 1 微光梳状驱动太赫兹通信概念图
<研究背景和历史>
移动通信通过提高无线电载波频率实现了更高的速度和容量。毫米波频段已用于第五代（5G）通信，但为了应对未来通信需求的进一步增长，300 GHz 以上的太赫兹波有望用于下一代移动通信（6G），预计 2030 年代将投入实际使用。特别是，虽然在 350 GHz 以上的区域可以利用宽带实现超高速通信，但使用传统电子技术生成高频信号存在局限性，输出功率降低和相位噪声增加等问题日益明显。因此，需要建立一种能够产生稳定、高质量信号的新技术。
在此背景下，研究小组把重点放在了替代电子技术的光学技术上，并开展了利用微光学梳（一种光学频率梳）产生太赫兹信号及其在无线通信中应用的研究，即微光学梳驱动的太赫兹通信（Photonic 6G(*3)）。微光梳被用于产生太赫兹信号并将其应用于无线通信。微光梳具有频率稳定性高、相位噪声低和频率间隔宽的特点，是太赫兹波段高质量无线载波生成的一种有前途的技术，因此备受关注。然而，在 350 GHz 以上的频段，很难通过高阶调制实现稳定的高频信号生成和高速数据传输，实用的无线通信尚未实现。
在此背景下，本研究旨在解决在 350 GHz 以上区域实现超高速无线通信所涉及的技术问题，并演示 100 Gbps 级通信。
<研究内容与成果>
本研究开发了一种使用光纤连接微光谐振器的微光梳装置，以实现稳定、紧凑的太赫兹信号源。通过采用光纤与氮化硅微型光学谐振器直接连接的结构，该装置的体积大大缩小，省去了传统上需要的光学显微镜观察和使用多轴平台进行精确光学调整的麻烦（图 2）。此外，这种配置还大大提高了激发光耦合效率的时间稳定性，并可使用高功率激发光。因此，可以实现长时间稳定运行，为太赫兹波段高稳定、低噪音信号的产生奠定了基础技术。
图 2 使用光纤连接微光谐振器的微光梳装置
接下来，我们利用这种光纤耦合微光梳构建了一个太赫兹无线通信系统。通过对微光梳进行光注入同步，产生了具有高稳定性和高信噪比的双波长光载波，并在光域中应用了多级调制（QPSK 和 16QAM）。然后通过光混合产生 560 GHz 的多级调制太赫兹波，并以无线方式传输调制信号。在接收端，使用亚谐波混频器通过外差检测对信号进行解调。结果，在 QPSK 调制下实现了 84 Gbps 的无线传输，在 16QAM 调制下实现了 112 Gbps 的无线传输（图 3）。这是在 420 GHz 以上的未开发频段首次演示 100 Gbps 级无线通信。
图 3 太赫兹无线通信的实验结果（100 Gbps 级传输演示）。
<未来发展>
这项研究证明了在 350 GHz 以上太赫兹频段实现 100 Gbps 级无线通信的可行性，为实现超高速移动回程通信和 6G 光与无线融合网络奠定了重要的技术基础。未来，通过进一步降低微光梳的相位噪声来提高信号质量，有望应用更高阶的调制方案来实现更快、更大容量的通信。此外，为了扩大实际通信范围，选择大气吸收效应小的频段以及引入大功率太赫兹波和高增益天线将是有效的方法。这些技术的结合有望加速太赫兹无线通信的实际应用及其在下一代通信基础设施中的应用。
[术语]
(注 1）下一代移动通信（6G）
计划于 2030 年代投入使用的下一代移动通信（第 6 代移动通信，6G）将使用 300 GHz 以上的太赫兹波作为无线电载波。6G 将实现 "超高速和大容量通信"、"超低延迟"、"超覆盖范围扩展"、"超可靠通信"、"超低功耗和低成本 "以及 "超移动性"。降低成本"，以及 "超多连接和传感"。
(注 2）光纤连接微光梳
微光梳具有超离散的多光谱结构，多个光频模式行像梳齿一样等间隔排列，可产生超高频光-电频率信号，其质量比电方法高出一个数量级。此外，由于它们可以利用半导体工艺批量生产，因此有望在未来实现超紧凑、简单和低成本。
这项研究中使用的光纤耦合系统在实际应用中具有显著优势，例如，通过将光纤直接耦合到微型光学谐振器，可实现高耦合稳定性和可重复性，而且无需像过去那样进行精确的光学调整。
(注 3）光子 6G
Photonic 6G 是德岛大学的注册商标（注册号：6537005）。
[致谢]
除上述德岛大学和岐阜大学外，本研究还与名古屋工业大学的菅野敦教授、山梨大学的冈村康弘副教授、国立信息通信技术研究所的Isao Morohashi高级研究员和德岛县工业技术中心的牧本信夫研究员合作完成。
这项研究和开发得到了日本总务省（MIC）"为扩大无线电资源而进行的研究和开发：通过无线电-光学相互转换研究和开发超高频段大容量通信技术（JPJ000254）"以及 "为持续有效利用无线电波而进行的基础技术研究和开发项目（FORWARD）""为下一代移动通信研究和开发光梳驱动太赫兹参考频率信号源 "的支持。该项目受日本内阁府、地方大学、文部科学省（MEXT）、文部省该项目还得到了内阁府 "地区大学和地区产业创造补助金计划"、德岛县 "下一代光德岛"、日本学术振兴会（JSPS）"加强地区核心和特色研究型大学项目（J-PEAKS）"和日本学术振兴会（JSPS）"下一代光通信"（J-PEAKS）"（JPMI 240910001）的支持。该项目得到了日本学术振兴会（JSPS）"地区核心和特色研究型大学强化计划（J-PEAKS）"（JPJS00420240022）和 "德岛县地方大学和地区产业创建项目补助金 "的支持。
[论文信息]
期刊：通信工程
论文标题： 超越 350 GHz：利用孤子微蜂窝在 560 GHz 下实现单通道 112 Gbps 光子无线传输
作者：Yu Tokizane、Hiroki Kishikawa、Takumi Kikuhara、Miezel Talara、Yoshihiro Makimoto、Kodai Yamaji、Yasuhiro Okamura、Kenji Nishimoto、Eiji Hase、Isao Morohashi, Atsushi Kanno, Shintaro Hisatake, Naoya Kuse, Tadao Nagatsuma, and Takeshi Yasui
DOI 号：10.1038/s44172-026-00659-8
相关专利
已申请三项相关专利。
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