电信系统正朝着超宽带和低延迟发展，支持有线和无线链路及其无阻塞互联。然而，光纤通信与其无线对应物之间长期存在带宽不匹配的问题，这源于信号架构和硬件约束的基本差异，这些差异阻碍了两个领域之间的高速和兼容传输。这一挑战进一步复杂化了统一系统设计，并阻碍了在宽带接入场景下实现高吞吐量密度、无拥塞的光纤-无线链路。在此，我们提出了一种超宽带（UWB）集成光子学方案，该方案促进了共享带宽基础设施上的光纤-无线通信。基于电光（EO）和光电（OE）转换，具有超过250 GHz的3 dB操作带宽和跨架构适应性，我们的系统展示了在有线和无线链路中前所未有的数据传输能力。通过使用相同的一组设备，并由提出的复杂双向门控递归单元（复杂-biGRU）算法提供动力，已经实现了短距离光纤的512 Gbps超高单通道数据速率，并且首次实现了400 Gbps的高速无线传输。此外，通过全光辅助的超宽带无线方案，实现了高密度接入。通过86个频道成功演示了实时多通道8K视频传输，采用从138 GHz到223 GHz的光谱范围，且无缝连接。这些统一电信发展中的发现展示了高速、高密度和低延迟通信网络发展的潜力。

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文章名：Integrated photonics enabling ultra wideband fibre–wireless communication

作者：Yunhao Zhang1,2,3,9, Haowen Shu2,4,9 ✉, Yijun Guo2,9, Peiqi Zhou5,9, Luyu Wang6,9, Jianyang Cai2,  

Liyuan Yao2, Linshan Yang2, Linze Li6, Tianyu Long6, Zhouze Zhang6, Changhao Han2,  

Kaihang Lu7, Yu Sun8, Zhaopeng Xu1, Jun Qin8, Yeyu Tong7, Zhixue He1, Xi Xiao5, Lei Wang1,  

Baile Chen6 ✉, Shaohua Yu1 ✉ & Xingjun Wang1

单位：上科大港科大北大

光通信深刻加速了大规模数据互联和高性能计算的发展。尽管光纤通信取得了巨大成功，但未来的万物互联网需要在所有场景下提供高吞吐量、广域覆盖和低延迟的信号传输，如图1所示，

图1 | 集成UWB全光电信通信系统。全光超宽带电信连接的概念图（光纤-无线无拥塞传输、高速光纤互联和大密度光纤-无线接入），由集成光子学系统提供动力。通过UWB集成器件和光纤-无线系统的无缝集成，预计可以实现高吞吐量和低延迟的全光电信通信。OBPF，光学带通滤波器。

包括高速光纤互联、多接入无线网络和混合光纤-无线系统。为了满足这些需求，光纤和无线链路都需要在单通道速度和可用带宽方面持续改进，以提高传输能力。此外，接入架构应迁移到太赫兹（THz）频段，并与光纤技术深度集成，形成THz光纤-无线网络，以实现大规模连接和低成本信号处理。

此外，为了覆盖光纤基础设施无法覆盖的区域，如远程居住地或恶劣环境，作为混合中继节点的无线传输链路通常需要无缝的光纤-无线-光纤信号转换，这被称为透明中继，以确保在接口之间实现低延迟和高保真传输。然而，在所有场景中普遍实现可比的高速和低延迟数据传输仍然是一个重大挑战。一个显著的障碍是设备的操作带宽有限。尽管光纤通信的基带收发器已经达到了100 GHz及以上，支持每个通道400 Gbps的传输速率，但这种操作已经接近现有收发器技术的带宽极限。在统一的光纤-无线通信系统中，直接将这些宽带基带信号转发到无线领域需要向THz范围（超过0.1 THz）上转换，这对发射端和接收端的设备带宽性能提出了更大的挑战。具体来说，这需要一个跨越数百GHz的平坦电光-电频率响应，并且需要高饱和功率。

光通信深刻加速了大规模数据互联和高性能计算的发展。尽管光纤通信取得了巨大成功，未来的万物互联网要求在所有场景下提供高吞吐量、广域覆盖和低延迟的信号传输，如图1所示，包括高速光纤互联、多接入无线网络和混合光纤-无线系统。为了满足这些需求，光纤和无线链路都需要在单通道速度和可用带宽方面持续改进，以增强传输能力。此外，接入架构应迁移到太赫兹（THz）频段，并与光纤技术深度集成，形成THz光纤-无线网络，以实现大规模连接和低成本信号处理。

此外，为了覆盖光纤基础设施无法覆盖的区域，如远程居住地或恶劣环境，作为混合中继节点的无线传输链路通常需要无缝的光纤-无线-光纤信号转换，这被称为透明中继，以确保在接口之间实现低延迟和高保真传输。然而，在所有场景中普遍实现可比的高速和低延迟数据传输仍然是一个重大挑战。一个显著的障碍是设备的操作带宽有限。尽管光纤通信的基带收发器已经达到了100 GHz及以上，支持每个通道400 Gbps的传输速率，但这种操作已经接近现有收发器技术的带宽极限。在统一的光纤-无线通信系统中，直接将这些宽带基带信号转发到无线领域需要向THz范围（超过0.1 THz）上转换，这对发射端和接收端的设备带宽性能提出了更大的挑战。具体来说，这需要一个跨越数百GHz的平坦电光-电频率响应，并且需要高饱和功率的光电探测和高调制效率，以在保持信号保真度的同时实现更高的速度，而这仍然是难以满足的要求。尽管已经提出了等离子体调制器，以实现接近THz的带宽，并支持深度进入THz范围的信号调制，但它们的调制效率低且光学损耗大，这可能限制可实现的更高通道速度。另一方面，单向行进载流子光电二极管（UTC-PD）已成为芯片级光-THz信号生成的主流技术。然而，相对较低的光电带宽和有限的子毫瓦级饱和功率限制了在THz应用中的信噪比。

另一个挑战是系统架构。由于电光-电信号转换通常在光纤通信中以基带处理，在无线传输中则以中频（IF）处理，光纤-无线系统通常需要跨带宽频率混合。为了实现这一目标，电气和混合光电方法都使用频率倍增电气本地振荡器（LO）进行频率混合。然而，这些方法引入了电气带宽的限制，进一步的频率倍增引起的噪声积累和硬件复杂性，这反过来限制了系统容量并增加了实施成本。全光辅助的无线方案使得直接的无线到光信号转换和随后的光域处理成为可能，提供了可观的硬件节省和出色的频率转换一致性。全光无线通信平台上的完整链路功能和宽带频谱适应性也得到了验证。然而，迄今为止，演示的单通道数据速率仍然限制在80 Gbps以下。尽管各种复用技术可以进一步增强总体容量，但这种聚合引入了信号编码和解码的复杂性，从而阻碍了低延迟透明中继的实现。此外，由于信号带宽向100 GHz范围增加，传统的线性数字信号处理（DSP）算法在宽带光纤-无线融合中变得大多无效，尤其是当未来基础设施要求通道速率超过400 Gbps时。

在此，我们提出了一种基于集成光子学的统一超宽带光纤-无线通信解决方案。通过使用一对具有超过250 GHz带宽的光电（EO）和光电（OE）转换器，由薄膜锂铌酸盐（TFLN）调制器和改进的UTC-PD组成，我们实现了一种光纤-无线带宽共享传输方案，在光纤和无线链路中均提供超过100 GHz的通道带宽。在高效的信号调制、高功率光电探测和统一的复杂双向门控递归单元（复杂-biGRU）算法的支持下，我们的系统在光纤和无线链路中都实现了高质量的数据传输。单通道数据速率提升至迄今为止在这两个场景中达到的最高水平，光纤链路达到了512 Gbps，无线链路在THz频段达到了400 Gbps。更实际的是，已经实现了86通道8K实时视频传输，使用138–223 GHz频段内的1 GHz通道带宽，比标准5G协议大一个数量级。我们的工作为超宽带全光通信系统的全面集成铺平了道路，并将成为下一代电信的有前景的路径。

超宽带片上光电转换

我们演示的超宽带能力由TFLN调制器和基于磷化铟（InP）的UTC-PD确保，这些器件专门设计和制造，以提供大带宽和高效的转换。

图2 | 基本UWB构建模块和短距离互联的表征。
a，TFLN调制器的光学图像和3D横截面视图。
b，调制旁带的光谱（载波省略）。由于OSA的功率不确定性，从110到220 GHz的带宽测量不确定性为±0.4 dB。
c，从1到220 GHz的归一化电光响应。实线为通过拟合实验数据外推的响应。
d–f，改进UTC-PD的光学图像和3D示意图（d），射频输出功率（e）和光电带宽（f）。
g，IMDD数据传输设置的示意图。EA，电放大器；PC，偏振控制器。
h，通过DSO捕获的210 Gbaud NRZ（左）和196 Gbaud PAM-4（右）眼图。
i，使用复杂-biGRU算法在不同符号速率下NRZ和PAM-4传输的BER。所有结果均在给定的HD-FEC阈值内考虑。
j，256 Gbaud NRZ和PAM-4信号的重构眼图和BER。

图2a展示了设备的照片和集成光电调制器的横截面示意图。芯片是基于360 nm X-cut铌酸锂（LN）晶片制造的，使用500 µm厚的石英基板以减少微波损耗（方法）。为了补偿石英基板引起的慢波效应，采用了周期性电容加载行波电极（即慢波电极）结构，具有优异的速度匹配和阻抗匹配（补充说明1）。输入和输出垫也被适当地设计为具有50 Ω特性阻抗，并且在电容加载行波电极的末端设置了50 Ω片上终端。

我们首先展示了TFLN调制器超过200 GHz的3 dB电光（EO）响应特性。包括光纤到芯片的透镜耦合损耗（每个光面约为3.8 dB），总光损耗约为8.2 dB，表明芯片内插入损耗为0.6 ± 0.3 dB。电光响应通过光波组件分析仪（LCA）在110 GHz下测量，并使用光谱分析测量更高频率（方法）。图2b展示了调制信号的旁带，频率范围为140–220 GHz。插图显示了测试范围内平坦的光光谱，波动为2.1 dB。整个电光响应显示出超过220 GHz的超高实验带宽（图2c），并且外推结果约为260 GHz（相对于1 GHz）。据我们所知，这是TFLN调制器报告的最高实验测量电光带宽，排除先前的外推或估计结果（扩展数据表1）。得益于卓越的电光带宽，可以计算出200 GHz时的射频半波电压Vπ,RF为6.2 V（方法）。为了确保光纤和无线通信，该器件的设计旨在实现电光带宽与调制效率之间的更好平衡，同时保持较低的插入损耗。与其他电光带宽增强技术相比，我们的设计还获得了平坦的电光响应，最大偏差为0.5 dB，超过了0 dB水平。这种特性为需要宽频谱占用和多通道实时视频传输中一致信号完整性的高速无线通信提供了显著改进。

图2d展示了UTC-PD的光学图像和相应的示意图。器件的外延结构生长在半绝缘的磷化铟（InP）基板上，采用改进的单向行进载流子结构，具有部分耗尽的InGaAs吸收层和轻掺n型InP收集层。为了提高器件的高速性能，在漂移层中引入了30 nm厚的重掺n型（2 × 10¹⁷ cm⁻³）InP悬崖层，以调节内部电场。该设计使器件带宽更广，同时保持较高的饱和输出功率。频率响应和饱和功率通过光学外差装置和功率计进行表征（方法）。如图2e所示，具有紧凑的2 × 10 µm²活性区域的器件在140 GHz时输出最大1.26 dBm，1 dB压缩点为8 mA。在光电带宽方面，器件展示了从直流到170 GHz的相对平坦的频率响应，并实现了超过250 GHz的3 dB带宽（图2f和扩展数据表2）。此外，器件的测得暗电流在-5 V偏置下小于100 pA，从而抑制了系统噪声底，并使该器件非常适合用于高速通信系统。

所提出的超宽带（UWB）器件首先用于光纤互联场景。进行了几项强度调制直接检测（IMDD）测试，采用非归零（NRZ）和脉冲幅度四级调制（PAM-4）格式。实验设置如图2g所示。在发射端，通过任意波形发生器（AWG）生成周期性伪随机比特序列信号，然后将其调制到1550 nm光载波上。使用配备120 GHz校准光学采样模块的数字示波器（DSO）直接捕捉调制信号（方法），如图2h所示。在不同符号速率下，清晰的眼图已经在NRZ和PAM-4下观察到，分别达到了210 Gbaud和196 Gbaud（补充说明3），这是迄今为止没有带宽补偿数字信号处理（DSP）的最高速率。调制信号也通过实时示波器（RTO）进行记录，并使用离线DSP方法解调。通过应用复杂双向门控递归单元（复杂-biGRU）算法（下一节和方法中的详细信息），实现了256 Gbaud的NRZ和PAM-4传输，误比特率（BER）分别为5.02 × 10⁻⁴和2.48 × 10⁻³（图2i,j）。实现的BER远低于7%硬判决前向错误纠正（HD-FEC）阈值3.8 × 10⁻³，主要受到测量仪器的采样率限制。据我们所知，这是目前为止最高的单通道符号率和PAM-4数据速率。使用更低阶的调制格式，经过前向错误纠正（FEC）开销减去后，可以计算出479 Gbps的最新净比特率（扩展数据表3）。

太赫兹全光无线透明中继

除了基带光纤传输外，UWB器件具有足够的中频带宽和高效的电光/光电响应，延伸到太赫兹（THz）频段，这推动了无线通信速度的提升，有助于无拥塞的光纤中继。这里进行的是使用无线载波约180 GHz的高速无线光学透明中继。

图3 | 高速太赫兹无线传输结果。
a，UWB全光太赫兹无线传输设置的示意图。蓝色和紫色线分别表示电气和光学链路。实验中使用的载波频率为180 GHz。所有数据均离线收集和处理。BNF，带阻滤波器；MUTC-PD，改进UTC-PD；OMA，光调制分析仪；PC，偏振控制器。
b,c，使用基线DSP方法在不同符号速率（10–90 Gbaud）下的误比特率（b）结果和星座图（c）。所有结果都在给定的SD-FEC阈值下。星座图仅显示不同调制格式的最高符号速率。其他结果请参见补充说明4。
d，所提出的复杂-biGRU算法的架构。对于每次均衡，网络参数首先使用一组数据进行优化，然后在另一个数据集上生成推理结果。
e,f，使用复杂-biGRU算法在不同符号速率（40–100 Gbaud）下的误比特率（e）结果和星座图（f）。所有结果远低于SD-FEC阈值，显示出复杂-biGRU算法带来的显著增强。

图3a展示了收发系统的整体架构（方法）。为了生成THz信号，采用商业硅相干发射机生成光基带，并使用调谐外腔激光器（ECL），其频率偏移为180 GHz，作为发射端本地振荡器（LO）。两个喇叭天线相距20 cm用于THz发射和接收，通过引入透镜天线以提高波束聚焦和耦合效率，可以进一步增强性能。由于改进的UTC-PD具有较高的饱和功率和TFLN调制器的低Vπ,RF，在接收端仅使用一个低噪声放大器（LNA）来放大衰减的THz信号，随后驱动TFLN调制器，这使得未来能够使用成熟的光学DSP进行直接信号解调。

为了准确表征固有性能，单通道速率定义为总无线空中接口速率除以活跃空间通道数、极化状态数和载波波长的乘积，作为主要比较指标。我们在实验中使用了几种不同速度的调制格式，包括正交相位移键控（QPSK）、16-QAM和32-QAM（QAM表示正交振幅调制）。图3b展示了所有测试条件下计算的BER。基于基线DSP的信号恢复后，所有BER结果都保持在20%的软判决前向错误纠正（SD-FEC）阈值以下，QPSK、16-QAM和32-QAM的最高传输速率分别达到了180 Gbps、240 Gbps和180 Gbps（图3c）。我们还使用透镜天线验证了4米无线距离下系统的性能。所有BER结果均满足SD-FEC阈值要求，QPSK和16-QAM的最高传输速率分别为192 Gbps和304 Gbps（方法和补充说明4）。尽管仅使用基线算法，我们的系统仍然达到了比以前的太赫兹通信方法（使用高级DSP算法）更高的单通道符号率和数据速率。

为了进一步缓解线性和非线性信号失真在宽信号带宽下的影响，已经提出了复杂-biGRU算法，推动系统性能达到极限（图3d）。我们的方案将传统的门控递归单元（GRU）网络扩展到复数域，以适应相干光通信。为了避免神经网络（NN）引起的信号分布失真，实施了多层激活函数，并显著缓解了“监禁窗口”效应（方法和补充说明5）。通过应用这一算法均衡，进行了系列传输测试，结果的BER性能如图3e所示。对于16-QAM和32-QAM，SD-FEC下的超高速太赫兹通信达到了400 Gbps。对于QPSK，已实现100 Gbaud的传输，BER低于1 × 10⁻⁵，达到了我们实验的BER地板。不同信号类型的最高速度的星座图如图3f所示。我们还在4米无线距离下使用透镜天线实现了QPSK和16-QAM的400 Gbps传输（方法和补充说明4）。据我们所知，这些结果代表了所有太赫兹通信中的最高单通道符号率和数据速率（扩展数据表4）。

在复杂-biGRU算法的驱动下，所提出的UWB集成光子学系统首次突破了100 Gbaud和400 Gbps的障碍，分别超过了先前演示的1.33倍和1.53倍。此外，我们的系统还报告了213%的载波利用效率提升，首次超越了传统的1限制，达到了2.22，从而在高速太赫兹通信领域设立了新的基准。值得注意的是，UWB集成光子学器件和复杂-biGRU算法兼容有线和无线通信，因此可以作为支持双模传输的通用功能单元。

全光多用户无线接入

除了大幅提升单载波传输数据速率外，UWB集成光子学系统还承诺在多用户接入场景中具有广泛的应用。在我们的概念验证演示中，成功实现了86个通道的实时8K视频流传输。\\

图4 | 多通道实时视频传输结果。
a，多用户接入系统的示意图。整个系统可以分为四个子系统：发射端交换机网络、光-太赫兹转换网络、太赫兹-光转换网络和接收端交换机网络。BPF，带通滤波器；DEMUX，解复用器；MUX，复用器；MUTC-PD，改进UTC-PD；PC，偏振控制器。
b，多通道实时视频传输的概念验证演示。每个视频代表一个分配给相应通道（从138到223 GHz，带宽为1 GHz）的独立服务器/客户端。汇聚的光谱显示了每个通道接收的信号光谱。插图，直接测量的集成光子学系统响应（顶部）和从整个链路提取的归一化系统响应（底部）。
c，平行实时视频传输的概念验证演示。左侧，实验设置的照片。右侧，接收的视频信号的光谱。两个通道之间接收功率的不平衡主要是由于原始发射信号的功率差异造成的。

所提出系统的示意图如图4a所示（方法）。上行服务器通过以太网端口与标准TCP/IP协议连接到发射端交换机。添加前向错误纠正（FEC）开销后，视频流被加载到现成的SFP+模块上，并通过一个无源光复用器（在本例中为光耦合器）汇聚为复合光信号。该信号随后经过我们上面展示的相同的光-太赫兹-光转换过程。对于下行路径，复合光信号通过无源光解复用器（在本例中为光耦合器和滤波器）分离为基带信号，并由接收端交换机根据预设配置分配到不同的客户端。

为了验证多用户接入能力，发射端本地振荡器（LO）频率偏移从138 GHz调整到223 GHz，步长为1 GHz。因此，所有通道上接收端屏幕上显示了连续清晰的实时视频。每个通道对应的光谱和截图如图4b所示。插图展示了从不同通道的包络中提取的标准化系统响应，去除了传输链路中其他组件的影响，显示了UWB集成光子学系统带来的低信号衰减（<5 dB），得益于较高的光电光转换效率。所测得的均匀响应（上插图）证实了系统在宽带和平坦频率响应方面的优势。我们的方法为每个用户分配1 GHz带宽，在标准5G通信的基础上提高了10到20倍，并满足大多数6G消费者应用的需求。我们还进行了4米无线距离下的实时视频传输，并在接收端屏幕上成功显示了清晰的实时视频（补充视频1）。

并行连接能力进一步评估，使用两台独立的服务器作为发射端。由于实验中使用的光纤布拉格光栅（FBG）滤波器和SFP+模块的分辨率和精度的限制，两个视频流信号分别调制到155 GHz和172 GHz通道。通过相同的全光接入网络，接收到的视频与发射端一致，分别显示在笔记本电脑（即接收端客户端）上（图4c）。与先前的数字相干光学方法相比，我们的方案使用强度调制直接检测（IMDD）收发器和无源光网络，在系统的功耗、开销、复杂性和可维护性方面提供了多个优化。

讨论

在本研究中，我们提出并演示了一个UWB全光电信通信原型系统，在短距离光纤和全光无线链路中实现了超高的通道速率。这样的方案将为同时需要光纤和无线场景中超高速数据传输的应用提供有效的解决方案，例如6G基站和无线数据中心。这些系统的性能可以通过进一步优化得到提高。目前，传输速率主要受限于探头、放大器、天线和其他测试设备的模拟带宽。我们完全相信，随着这些领域的发展，我们的系统可以支持更高的单通道速率和单通道速率。

对于太赫兹（THz）通信，所提出的系统可以通过包括光学和天线的极化复用、在更高载波频率下的频分复用、具有多输入多输出结构的空间复用以及概率成形和正交频分复用等先进信号编码方案，进一步扩展到超过10 Tbps的速率。通过利用高增益卡塞格雷天线（>50 dBi增益）、聚四氟乙烯透镜（>50 dBi等效增益）和太赫兹放大器的级联，在发射端和接收端可以将覆盖距离延伸至1公里或更远。

所提出的集成光子学电信系统不仅具有大容量的优势，还在其他重要特性上表现出色。（1）节能：低插入损耗、低Vπ,RF和高饱和功率减轻了通信链路中对高功率放大器的需求。（2）低成本：全光链路消除了传输中的其他电气组件，节省了购买额外射频线缆和混频器的预算。无需额外定制制造过程来制造这两个关键设备。（3）大规模可扩展性：两个设备的设计参数符合商业晶圆级制造要求，能够进行大规模生产。全光架构使与现有光网络的无缝集成成为可能。（4）高灵活性：通过简单调整发射端和接收端LOs即可轻松实现不同载波频率的THz传输，无需任何混频带宽限制。复杂-biGRU算法提供了卓越的自适应能力，使系统能够应对各种复杂的信道条件。

我们还预计将与集成激光器、片上天线、可调微波光子滤波器、波导放大器和基于TFLN平台的异质集成光电二极管（PD）进行更多合作，消除离散仪器，并最终实现单片全光电系统。除了卓越的通信性能外，我们策略的多功能性还为多个领域的潜在发展提供了进步。例如，基于UWB微波光子电路的芯片级微波频率测量和操控可以扩展到太赫兹范围。基于UWB微波光子电路的集成无线电探测与测距（雷达）可为6G应用提供高分辨率和实时感知，支持室内定位和生命体征监测等应用。对于太赫兹光谱和成像，我们的方案提供紧凑且实惠的太赫兹生成、调制和检测，这对于工业故障分析和生物诊断至关重要。

集成调制器和改进UTC-PD的设计与制造

TFLN调制器制造在360 nm厚的X-cut单晶LN薄膜上，该薄膜粘附在2.5 µm厚的二氧化硅层上，二氧化硅层位于石英基板上（NanoLN）。首先，通过电子束光刻利用正性光刻胶对LN波导和多模干涉结构进行图案化，并通过氟基反应离子刻蚀（RIE）进行刻蚀。经过第一次光刻和刻蚀后，获得了具有72°侧壁角、180 nm厚的薄膜和180 nm的肋高的LN波导。然后对薄膜进行图案化和刻蚀，形成边缘耦合器。光刻和波导图案化完成后，使用等离子增强化学气相沉积（PECVD）沉积厚度为1.2 µm的SiO2薄膜作为包覆层。随后，沉积180 nm厚的NiCr层作为终端电阻和片上终端。接下来，通过剥离工艺生产1 µm厚的金传输线和直流电极。最后，对器件端面进行切割、研磨和平整，以提高端面耦合效率。该制造工艺符合典型代工厂中可用的标准光刻和刻蚀技术，确保了工艺的可重复性和可扩展性。

改进的UTC-PD外延结构旨在实现高速和高功率操作。180 nm厚的InGaAs吸收层包括一个80 nm未耗尽区域，具有阶梯型掺杂轮廓（5 × 10¹⁷、1 × 10¹⁸和2 × 10¹⁸ cm⁻³），以形成辅助电子传输的准电场，其余的100 nm被耗尽，以在InGaAs/InP异质结上建立高电场。在吸收层下方，结合了220 nm轻掺n型（1 × 10¹⁶ cm⁻³）InP漂移层，以支持高速载流子传输。30 nm厚的重掺n型（2 × 10¹⁷ cm⁻³）InP悬崖层被插入吸收层和集电极之间，以维持漂移层中20-50 kV/cm的电场，支持电子速度的超越，从而加速电子传输并扩展器件带宽。悬崖层的实现还大大减少了在耗尽区跨异质结的导带障碍，从而抑制了高光输入下的载流子堆积并提高了高功率性能。为了进一步抑制寄生电容并增强RC限制的带宽，4 µm厚的苯环丁烯（BCB）介电层被引入到共面波导电极下方，改善了电气隔离和器件的稳健性。此外，InP漂移层向外延伸，作为InGaAsP波导的上包覆层，确保均匀的光吸收并减轻强光注入下的局部饱和。同时，精心设计400 nm厚的InGaAsP波导层的厚度和折射率，以实现高效和平滑的衰减光耦合到吸收器中。这使得在吸收器中光吸收和载流子生成的分布更加均匀，从而减轻了局部饱和并在强光注入下实现更高的输出功率。

改进的UTC-PD的制造开始于在2英寸半绝缘的InP基板上使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）进行外延生长。外延层与参考文献17中的结构类似。然后，沉积Ti/Pt/Au金属层以形成p型欧姆接触。器件的三阶台阶结构通过电感耦合等离子体干法刻蚀和选择性湿法刻蚀相结合来定义。刻蚀过程被精确控制，以确保精确的图案化，使光学仿真与制造的器件之间有很好的匹配。接下来，沉积Ge/Au/Ni/Au层以形成n型欧姆接触，然后在360°C下进行快速热退火，以增强接触性能。最后，应用3 µm厚的苯环丁烯（BCB）层进行钝化和机械支撑，然后沉积Ti/Au共面波导以将电极连接到PD接触端。该工艺流程采用标准III-V半导体工艺，兼容晶圆级制造。

TFLN调制器和改进UTC-PD的电光/光电响应表征

我们使用功能波形发生器（RIGOL DG922 Pro）生成100 kHz的三角电压扫描，并通过数字示波器（RIGOL DHO1202U）测量Vπ,LF为5.1 V。然后可以使用以下公式计算Vπ,RF：

每个频率下的Vπ,RF可以直接使用公式（3）计算（参考文献50）：

其中，Vp表示输入太赫兹信号的最大电压。电光响应可以通过公式（1）到（3）推导为：

方程（4）的第一项表示与Vπ,LF相关的常数项。第二项是传递到调制器的驱动功率，可以通过从频率倍增器的输出功率中减去探针损耗来计算。Pc和Ps分别是载波和旁带功率，这些功率是通过光谱分析仪（OSA）从每个测试点测得的。在去除每个测试频率下驱动功率的差异后，电光响应仅与载波和旁带幅度成正比。由于探针和频率倍增器已被精确测量和校准，测量不确定性的主要来源是OSA的功率不确定性。根据操作手册，OSA的功率测量不确定性为±0.4 dBm，从110到220 GHz的带宽测量不确定性为±0.4 dB。对于110–170 GHz和140–220 GHz频段的计算结果，首先通过其重叠区域的平均值进行归一化，然后参考来自LCA的110 GHz数据。

改进的UTC-PD的频率响应和饱和行为使用光学外差装置进行表征。两台可调激光器，波长分别为λ1和λ2，通过固定一个波长并调节另一个波长来生成可调的拍频fbeat。偏振控制器确保最佳对准，实现接近100%的调制深度。组合后的光信号通过掺铒光纤放大器（EDFA）进行放大，然后耦合到芯片中。通过源表（Keysight B2901A）对器件施加直流偏置。

数据传输实验的细节

对于短距离IMDD实验，通过任意波形发生器（AWG，Keysight M8199B，约75 GHz模拟带宽）生成周期性伪随机比特序列信号，并通过升余弦滤波器进行成形。需要一个电力放大器（SHF T850 C，100 GHz模拟带宽）来补偿由电缆和探针带来的衰减。放大后，TFLN调制器将1,550 nm光载波编码为NRZ和PAM-4格式，符号速率从112到256 Gbaud。使用EDFA（Amonics AEDFA-C-DWDM）来增强调制后的光信号。在接收端，首先通过数字示波器（DSO，Keysight N1000A）和120 GHz光学采样模块（Keysight N1032A）将调制信号转换并记录（方法）。我们没有应用带宽补偿的DSP，并拍摄眼图截图以展示我们TFLN调制器的固有UWB特性。通过使用前馈均衡器和其他均衡算法，可以进一步提高传输容量。我们还使用70 GHz带宽的实时示波器（RTO，Keysight UXR0702AP）和110 GHz光电二极管（PD，Coherent XPDV4121R）来获取真实传输数据。在重新采样和同步后，将收集的数据输入网络进行信号恢复。最后，来自复杂-biGRU算法的输出信号经过信号决策，计算误比特率（BER）以评估系统性能。

对于高速无线相干光学透明中继演示，光基带信号由一台商业硅相干发射机生成，带宽约为35 GHz，激光源在固定波长1,550 nm下工作。不同符号速率的IQ信号通过AWG生成，并映射到QPSK、16-QAM和32-QAM符号。一个调谐外腔激光器（ECL，TOPTICA CTL 1550）作为发射端LO，频率偏移为180 GHz，与1,550 nm的信号光结合，通过50:50耦合器与信号光组合。混合信号通过EDFA放大并耦合到改进的UTC-PD中，在那里基带信号通过外差拍频被转移到180 GHz中心的太赫兹信号。两个140–220 GHz的喇叭天线（Anteral SGH-26-WR05）具有26 dBi增益，放置在20 cm的距离上进行太赫兹发射和接收。一个145–220 GHz的LNA（Fintest FTHZLNA-05FB）具有24 dB增益，用于放大接收的衰减太赫兹信号，随后驱动TFLN调制器，并将其转换为1,550 nm波长的光载波。在EDFA放大之前，光载波通过一个可调的光纤布拉格光栅（FBG）滤波器（AOS Tunable FBG）被滤除，以充分利用EDFA的可用增益。EDFA的输出信号传送到光调制分析仪（Keysight N4391B）作为信号光。另一个调谐外腔激光器作为接收端LO，设置为与发射端LO相同的波长。数据随后通过不同的DSP技术进行离线收集和分析。对于4米无线传输，我们将原始的喇叭天线替换为40 dBi增益的透镜天线，同时保持链路的其他部分不变。

在接收端的基线DSP链中，首先进行Gram-Schmidt正交归一化，接着是匹配滤波和下采样。然后，实施自适应均衡和载波恢复。随后，估算频率偏移，其中均衡器的Tap系数通过常模算法预先收敛。之后，在决策导向的最小均方更新循环中使用盲相位搜索算法执行载波相位估计。最后，再次进行正交化。对于复杂-biGRU处理链，基线DSP的均衡信号作为输入信号，送入GRU网络进行进一步的均衡。符号决策在每个DSP链之后进行，并计算误比特率（BER）。

对于多通道实时视频传输，使用两个以太网-光学交换机（FS S3950-4T12S-R）进行信号路由和分配。计算机通过以太网端口根据IEEE 802.3ab协议连接到发射/接收交换机。由于接收端FBG滤波器的固定10 GHz带宽限制，同时传输的两个视频信号之间的载波间隔必须超过10 GHz，以避免信号混叠。因此，我们选择了两个SFP+模块（FC DPP1-5592-81Y1），其波长间隔为17 GHz，作为发射器。

复杂-biGRU算法的细节

无线通信，特别是高阶无线相干通信，受到反射、衍射和散射等因素在自由空间中引起的更严重非线性效应的影响。为减轻这些影响，提出了各种非线性均衡器，其中基于神经网络（NN）的方法在处理复杂干扰方面优于其他方法。然而，尽管基于神经网络的均衡器在减少误比特率（BER）方面已显示出有效性，但“监禁窗口”模式经常同时出现（补充说明5）。这种现象会改变信号的分布，使其偏离高斯分布，导致前向错误纠正（FEC）编码的严重恶化。

所提出的复杂-biGRU网络实现了一个五层结构。第一层是输入层。对于相干光通信，每个符号rn可以分离为In和Qn。第二层是复杂-biGRU层。由于M-QAM调制格式同时包含同相（I）数据和正交（Q）数据，复杂-biGRU层设计为并行处理I和Q数据。在每个biGRU网络中，具有双向结构的模型由两个GRU的组合状态确定，这两个GRU分别在相反方向上单向处理数据。一个GRU处理序列的开始数据，另一个GRU处理序列的结束数据。复杂-biGRU层的输出完全连接到一个线性层，随后是一个多层层，作为非线性激活函数。最后，预测输出可以表示为两个路径结果的总和。对于IMDD信号，仅激活网络的一个路径，以减少系统的计算开销，其余处理与相干信号相同。

传统的激活函数通常表现出两个饱和区域。然而，对于高阶调制格式，配备具有两个饱和区域的激活函数的均衡器表现出不足的有效性。信号均衡问题可以看作一个分类问题，其中多级信号的输出需要被分类为多个类别。因此，具有多个饱和区域的激活函数将大大提升系统的性能。我们算法中应用的激活函数定义为52：

其中，α1表示梯度因子，α2则用于确保函数的连续性。对于四级信号均衡场景，如PAM-4和16-QAM，当x ≤ −1、−1 < x ≤ 1和x > 1时，µ分别取值为−1、0和1。同样，为了适应PAM-6和32-QAM信号，当x ≤ −3、−3 < x ≤ −1、−1 < x ≤ 1、1 < x ≤ 3和x > 3时，µ可以调整为−2、−1、0、1和2。

UWB集成光子学系统的比较

所提出的UWB集成光子学系统在器件和系统级别上都实现了卓越的性能。更具体地，我们总结了近年来的代表性结果，并与其进行了详细的比较分析。扩展数据表1展示了在不同材料平台和不同结构下，工作在C波段的集成电光马赫–曾德调制器（MZMs）的比较。我们的调制器在保持高调制效率和超低插入损耗的同时，达到了大多数其他器件的两倍带宽。我们还使用以下公式计算了调制器的斜率效率：

其中，T是调制器前后的光透射率（以线性单位表示）。我们的调制器在工作带宽是其他器件的两倍的同时，实现了可比的斜率效率。尽管等离子体调制器已经展示了接近1 THz的电光带宽，但它们同时存在高光学插入损耗、过大的半波电压和波动的电光响应，限制了它们在实际应用中的性能。

扩展数据表2展示了不同材料平台和外延结构下集成高速光电探测器的比较。在材料层面，尽管基于锗（Ge）的光电二极管（PD）已经实现了令人印象深刻的带宽（例如265 GHz），但由于锗中电子饱和速度有限（约5 × 10⁶ cm/s），它们通常在低光功率下工作，这限制了高频下的电流处理能力，并限制了其在太赫兹（THz）生成中的应用。相比之下，磷化铟（InP）提供了更高的电子饱和速度（约2 × 10⁷ cm/s），使得其具有更好的电流处理能力，因此成为了100 GHz以上高速高功率光电探测器的首选材料。从结构角度来看，UTC-PD通过快速收集低迁移率的空穴并实现仅电子漂移，表现出比传统PIN PD更优越的饱和特性。该设计减轻了高光输入下的空间电荷效应，从而支持更高的光电流和太赫兹输出功率。在基于InP的波导耦合PD中，我们的改进型UTC-PD在保持高太赫兹输出功率的同时，展示了比以往工作更高的光电带宽，并具有0.24 A/W的良好响应度。这些平衡良好的指标使其成为下一代超宽带电信系统的有力解决方案。

扩展数据表3展示了集成IMDD通信的比较。我们的方法在没有任何带宽补偿DSP的情况下，展示了最高的传输速率。我们还使用复杂的双向门控递归单元（复杂-biGRU）算法实现了最高的符号率256 Gbaud和最高的PAM-4数据速率512 Gbps，达到了我们的测试系统的极限。在这些结果的基础上，可以计算出传统PAM-4调制下的479 Gbps（=512/(1+0.07)）净比特率，达到与先进的PS-PAM-16格式相当的性能。

扩展数据表4展示了基于不同方法的高速太赫兹无线通信的比较。使用复杂-biGRU算法，我们的系统在单通道符号率和单通道数据速率方面表现突出。即使使用基线DSP方法，我们的系统仍然实现了最高的单通道符号率和数据速率。我们还计算了载波利用效率，定义为单通道数据速率除以载波频率，用于评估载波在没有任何复用技术的情况下的信息承载能力。从理论上讲，更高的载波频率能实现更大的传输容量。我们的系统实现了最高的载波利用效率2.22，是以往系统性能的三倍。除了单通道性能外，我们还研究了不同太赫兹无线通信方法的多通道能力。如最后一列所示，通道数用于表征系统的多通道性能。我们的解决方案实现了最多86个1 GHz通道带宽的传输通道，展示了卓越的大密度接入性能。