日本6G突破：太赫茲頻段實(shí)現(xiàn)112Gbps無(wú)線通信

“這個(gè)結(jié)果代表了邁向?qū)嵱没?G無(wú)線系統(tǒng)和超高速移動(dòng)回傳的重要一步。”德島大學(xué)后LED光子學(xué)研究所教授、該研究的合著者安井武在聲明中這樣說(shuō)道。你可能和我一樣，第一次讀到這句話時(shí)，會(huì)被“112Gbps”這個(gè)數(shù)字吸引，但真正讓人好奇的，是藏在這句話背后的那個(gè)追問(wèn)：為什么過(guò)了這么多年，我們還在為“更快”而興奮？答案不是簡(jiǎn)單的速度競(jìng)賽，而是一群科學(xué)家在太赫茲頻段這個(gè)被工程界視為“難啃的骨頭”上，找到了一種新的做事方式。

說(shuō)人話就是：日本的研究團(tuán)隊(duì)最近做了一件挺有意思的事。他們沒(méi)有去改進(jìn)現(xiàn)有的5G設(shè)備，也沒(méi)有在已經(jīng)被擠滿的頻譜里繼續(xù)內(nèi)卷，而是直接跳到一個(gè)更高的頻段——560吉赫茲，用一個(gè)叫“微梳”的小裝置，實(shí)現(xiàn)了每秒112吉比特的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速度。要理解這件事為什么值得一說(shuō)，咱們得先回到一個(gè)更本質(zhì)的問(wèn)題：無(wú)線通信的速度，到底卡在哪？

你可能也有過(guò)這樣的體驗(yàn)：家里的Wi-Fi在客廳很快，但一進(jìn)臥室就慢了。這背后有一個(gè)樸素的物理規(guī)律——頻率越高，能攜帶的信息量越大，但穿透力和抗干擾能力也越差。5G網(wǎng)絡(luò)的工作頻段主要在6吉赫茲以下，還有一部分在24到40吉赫茲左右的“毫米波”頻段。毫米波已經(jīng)夠高了，信號(hào)連一片樹(shù)葉都穿不過(guò)。而6G瞄準(zhǔn)的頻段，是比毫米波還要高一個(gè)數(shù)量級(jí)的“太赫茲”頻段——大致從100吉赫茲到10太赫茲。在這個(gè)頻段上，信號(hào)的波長(zhǎng)極短，衰減極快，空氣中的水分子都能把信號(hào)吸收掉大半。傳統(tǒng)電子設(shè)備到了這個(gè)頻段，會(huì)產(chǎn)生大量的信號(hào)噪聲和功率損耗，就像一個(gè)普通人突然被要求用超音速跑步，身體結(jié)構(gòu)根本承受不住。這就是為什么長(zhǎng)期以來(lái)，太赫茲頻段雖然理論上能提供恐怖的數(shù)據(jù)速率，但在工程上一直被稱為“太赫茲間隙”——一個(gè)看得見(jiàn)、摸不著的黃金地帶。

而這群來(lái)自日本的科學(xué)家，想了一個(gè)辦法繞開(kāi)這個(gè)困境。他們的思路是：如果電子器件在超高頻下表現(xiàn)不佳，那就讓光子器件來(lái)幫忙。他們開(kāi)發(fā)的新型太赫茲無(wú)線通信系統(tǒng)，核心是一個(gè)叫“微梳”的光子裝置。這個(gè)裝置被集成在微芯片上，能夠產(chǎn)生一系列等間距、高精度的光頻率信號(hào)，就像一個(gè)梳子一樣整齊排列，所以叫“微梳”。當(dāng)這些光頻率信號(hào)被轉(zhuǎn)換成太赫茲波時(shí)，它們天然就具備低噪聲、高穩(wěn)定的特性，直接繞過(guò)了傳統(tǒng)電子器件在高頻段的短板。再配合高階調(diào)制技術(shù)——你也可以理解為更聰明的編碼方式，在有限的帶寬里塞進(jìn)更多的數(shù)據(jù)——這個(gè)系統(tǒng)最終在560吉赫茲的頻段上，實(shí)現(xiàn)了112Gbps的傳輸速度。

這個(gè)速度是什么概念？美國(guó)目前的5G平均下載速度大約是300Mbps，也就是每秒300兆比特。理論最快的5G極限是20Gbps。而112Gbps，相當(dāng)于把現(xiàn)在的5G平均速度乘以373倍，比5G的理論極限還要快5倍多。但這還不是真正的終點(diǎn)。科學(xué)家預(yù)測(cè)，未來(lái)6G的理論峰值速度，可能達(dá)到每秒1太比特——大約是現(xiàn)在5G平均速度的3333倍。而這次德島大學(xué)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的突破，更重要的是他們證明了一件之前沒(méi)人做到過(guò)的事：在高于420吉赫茲的頻段上，第一次跑通了百吉比特級(jí)別的數(shù)據(jù)傳輸。這個(gè)“高于420吉赫茲”的門檻之所以關(guān)鍵，是因?yàn)檫@個(gè)頻率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了目前所有通信系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)范圍，進(jìn)入了太赫茲頻段的“深海區(qū)”。在此之前，人們?cè)谶@個(gè)頻率上的試驗(yàn)，大多受限于信號(hào)功率和噪聲問(wèn)題，速度比這慢得多。

你可能也好奇，微梳這個(gè)聽(tīng)起來(lái)像美妝工具的東西，到底是怎么工作的。咱們拆開(kāi)來(lái)看。微梳本質(zhì)上是一個(gè)微小的光學(xué)諧振腔，用激光泵浦后，能在芯片上產(chǎn)生幾十甚至上百條不同頻率的穩(wěn)定光譜線。這些光譜線之間的距離非常精確恒定。在這次的實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)選取了其中一些譜線，把它們混合后轉(zhuǎn)換為太赫茲信號(hào)。因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程完全在光域內(nèi)完成，所以生成的太赫茲波天然繼承了光頻梳的低相位噪聲特性——你可以理解為信號(hào)本身的“時(shí)間抖動(dòng)”非常小，相位非常干凈。而相位的干凈程度，直接決定了在高階調(diào)制下能否正確解調(diào)出信息。如果不干凈，數(shù)據(jù)就會(huì)出錯(cuò)，速度自然上不去。所以微梳在這里扮演的角色，不只是一個(gè)信號(hào)源，更像是一個(gè)精密的時(shí)間節(jié)拍器，保證了超高速下的節(jié)奏不亂。

這引出了一個(gè)更有意思的問(wèn)題：為什么以前的系統(tǒng)做不到這一點(diǎn)？答案藏在電子振蕩器和光子振蕩器的根本差異里。傳統(tǒng)的無(wú)線通信發(fā)射機(jī)內(nèi)部，有一個(gè)電子振蕩器來(lái)產(chǎn)生載波信號(hào)。當(dāng)頻率提升到幾百吉赫茲時(shí)，電子振蕩器的相位噪聲會(huì)急劇惡化，就像一個(gè)人越跑越快，腳下的節(jié)奏越容易亂。而在光子域，光本身的頻率就高達(dá)幾百太赫茲，微梳只是在這個(gè)極高的頻率上“切下一小段”來(lái)做精確的差頻。這個(gè)過(guò)程好比從一座已經(jīng)精準(zhǔn)定標(biāo)的巨大標(biāo)尺上，截取一小段來(lái)用，精度自然遠(yuǎn)高于從零開(kāi)始造一把小尺子。這個(gè)思路本身并不新，但把微梳集成到芯片上，并且用來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)太赫茲通信鏈路，這是之前沒(méi)有人成功過(guò)的。研究人員在5月16日的《Communications Engineering》期刊上詳細(xì)描述了他們的發(fā)現(xiàn)。

但事情還沒(méi)完。讀到這里，你可能會(huì)冒出一個(gè)自然的疑問(wèn)：這么高的速度，到底能用來(lái)干什么？如果只是讓手機(jī)下載電影更快，似乎不值得費(fèi)這么大力氣。答案可能要超出手機(jī)本身。112Gbps這個(gè)量級(jí)的數(shù)據(jù)速率，對(duì)于個(gè)人設(shè)備來(lái)說(shuō)，確實(shí)超前了至少十年。但6G基站之間的“回傳”——也就是把大量基站的數(shù)據(jù)匯聚到骨干網(wǎng)絡(luò)的通道——恰恰需要這種容量。當(dāng)未來(lái)的基站密度越來(lái)越高，每個(gè)基站承載的用戶和設(shè)備海量增加，回傳鏈路就會(huì)成為新的瓶頸。太赫茲頻段的超寬帶特性，天然適合作為這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的高速無(wú)線回傳方案。另外，全息通信、數(shù)字孿生、超高精度遠(yuǎn)程協(xié)作這些未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)延遲和帶寬的要求，都不是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)能承受的。所以這次突破的意義不只是一個(gè)速度紀(jì)錄，而是驗(yàn)證了一條技術(shù)路徑：光子輔助的太赫茲系統(tǒng)，可能是解決6G網(wǎng)絡(luò)瓶頸的關(guān)鍵拼圖。

不過(guò)，咱們也得守一下“不知道的邊界”。研究人員雖然走通了鏈路的可行性，但現(xiàn)階段這仍然是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的驗(yàn)證系統(tǒng)。從實(shí)驗(yàn)室到商用部署，還有幾座大山要爬。太赫茲信號(hào)穿透能力極弱，連空氣中的水蒸氣都能造成衰減，這意味著未來(lái)的6G基站，很可能需要密集部署，并且依賴高度精確的波束對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，才能讓信號(hào)在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定傳輸。另外，微梳本身雖然已經(jīng)在芯片上實(shí)現(xiàn)，但功耗、成本、與現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)的融合，這些工程難題一個(gè)都沒(méi)少。商業(yè)6G網(wǎng)絡(luò)預(yù)計(jì)在2030年或更晚才能落地，這中間的時(shí)間里，還需要大量的工程化優(yōu)化。這不是一個(gè)“明天就能用上”的技術(shù)，但它給出了一個(gè)方向。

這讓我想起一句話：每一次通信技術(shù)的代際升級(jí)，本質(zhì)上都是一場(chǎng)關(guān)于“頻率搬磚”的游戲。從2G的900兆赫茲，到3G的2100兆赫茲，到4G的2600兆赫茲，到5G的毫米波，再到6G的太赫茲，人類一直在往更高的頻率上爬。每一次爬坡，都會(huì)遇到新的物理阻力，也都會(huì)催生新的解決方案。這次的微梳方案，就是光子技術(shù)對(duì)電子技術(shù)的一次援手。光子擅長(zhǎng)高頻低噪，電子擅長(zhǎng)靈活處理，兩者協(xié)作而不是替代，可能是打開(kāi)太赫茲大門的關(guān)鍵鑰匙。

最后，留下一點(diǎn)“還能想想什么”的尾巴。如果無(wú)線通信的速度，真的要往太比特每秒的方向走，那我們對(duì)于“帶寬”這個(gè)概念的認(rèn)知，恐怕也要跟著變。今天我們把帶寬當(dāng)成稀缺資源來(lái)分配，但未來(lái)在太赫茲頻段上，帶寬可能會(huì)變得像現(xiàn)在的算力一樣，從稀缺走向充裕。當(dāng)帶寬不再構(gòu)成限制，那限制網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)的，又會(huì)變成什么？可能是散熱，可能是傳感器，也可能是你看不到的調(diào)度算法。但有一件事，這次日本的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)用實(shí)驗(yàn)告訴了大家：在560吉赫茲的天空上，112Gbps的速度已經(jīng)不再只是紙面上的一行算式，而是一段真實(shí)發(fā)出去的信號(hào)。接下來(lái)要等的，就是看誰(shuí)能把它從實(shí)驗(yàn)室里帶出來(lái)，鋪到城市的天際線上。