超越5G！更快！迈向6G的太赫兹芯片

5G时代的到来，对企业、互联网、物联网是一场大的变革，高效的数据传播使得设备之间可以实现可控、可视化的管理，5G的低延时和高速率使得个人消费领域中的虚拟现实应用得以成为现实。

然而，在5G技术还未全面部署的情况下，6G却已“悄然而至”。

图1 来自istockphoto

“6G网络的速度将比5G快100倍”，借助这样的数据流可以促进芯片内与芯片间的通信，足以支持AI技术和基于云的技术，如自动驾驶。AI传感器需要以超高的速度来接受来自相邻车辆的数据来实时执行动作，因此可以提升汽车的导航能力，帮助避免发生交通事故。

手机传播信号靠的是电磁波，电磁波的频率决定了通信传输的上限，频率越高意味着通信的速度就越快。THz波段便是国际上预测的下一代高速无线通信（6G）的关键。它的频率范围在0.1THz~10THz之间，介于微波和光波之间，这个区间也被称为“THz间隙”，其频谱区域提供了更高的可用带宽，极高的频率为为了更高的数据传输提供了可能。然而在制备THz波导芯片的时候，使用常规方法容易受到材料缺陷和材料弯曲的影响，造成信号损失。

图2 太赫兹的频率

图源：知乎

为了解决这一问题，新加坡南洋理工大学Ranjan Singh教授团队和大阪大学Masayuki Fujita、Tadao Nagatsuma教授团队联合研发一款超高速太赫兹无线芯片（下称：太赫兹芯片），不仅可以传输太赫兹波，还能产生每秒 11 Gbit 的数据速率，并能支持 4K 高清视频的实时传输，且超过迄今为止 5G 通信每秒 10Gbit 的理论上限。该成果以“Terahertz topological photonics for on-chip communication”为题发表在Nature Photonics。

图3 左起南洋理工大学博士生Abhishek Kumar，Ranjan Singh教授，Yihao Yang博士后

Ranjan Singh教授持有由硅制成的光子拓扑绝缘体芯片，该芯片可以超高速传输太赫兹波

图源：NTU官网

太赫兹芯片的主要组成部分是光子拓扑绝缘体（以下简称PTI），它在体上是“绝缘的”，但在边缘是“导电的”，表现出强大的边缘传输能力，针对由无序和急剧弯曲引起的背散射有着很强的抑制作用。可以非常可靠地传导光信号，且不受缺陷、杂质和各种干扰的影响。这种抗干扰能力，称之为“拓扑保护”。

然而，使用常规方法制备太赫兹波导器件时，稍有不慎就会被材料缺陷、和材料弯曲所影响，成本和效率无法得到控制。

为解决上述难题，研究团队为光子拓扑绝缘体设计了特殊的结构：“谷态”

这是因为“谷态”由于具有：鲁棒性、单模传输、线性色散的性能，因此是极好的信息载体。

具体制作方法是：先设计一排带三角孔的小硅芯片，当小三角孔与大三角孔指向相反的方向时，会在界面处（图4 白色虚线）形成一种特殊的谷型扭结，即“谷态”，此时光波就能实现拓扑保护，可以在拓扑保护下在不同的孔径之间的界面流动。

图4 硅制光子拓扑绝缘体芯片

图片来源：Nat. Photonics 14, 446–451 (2020).（Fig.2）

利用这种特殊的“谷态”PTI结构，可以让THz芯片实现无差错地传输信号，解决了THz芯片对制造缺陷的敏感问题。研究团队进一步通过器件演示了THz芯片上的无差错通信，测试并传输了未压缩的4K高清视频。

图5 4K高清视频的传输实验红色虚线部分为THz芯片及放大图样

图片来源：Nat. Photonics 14, 446–451 (2020).（Fig.4）

以上研究表明，“谷态”PTI可以成功地让THz“免疫”任何制造缺陷引起的信号损失，不仅可以传输THz波，还可以无差错地传输数据。

通过使用当前的硅制造工艺设计和生产小型化平台，新型高速THz互连芯片将很容易集成到电子和光子电路设计中，并将有助于将来THz的广泛采用，包括：大数据中心、物联网设备、大型多核计算芯片、远程通信、大气与环境监测、实时生物信息提取与医学诊断等领域。

图6 来自 pixabay

本次太赫兹芯片的诞生，标志着人类在太赫兹光谱区域，首次实现光子拓扑绝缘体。这种技术可能为将来的THz互连集成到无线通信设备中铺平道路，有望为 6G 通信提供前所未有的每秒 TB 级的速度，其比 5G 还要快10 到 100 倍。

文章信息

Yang, Y., Yamagami, Y., Yu, X. et al. Terahertz topological photonics for on-chip communication. Nat. Photonics 14, 446–451 (2020).

原文地址

https://doi.org/10.1038/s41566-020-0618-9