拓撲結構使片上太赫茲波束形成成為現實

Wenhao Wang, Guillaume Ducournau, and Ranjan Singh

太赫茲波（https://spectrum.ieee.org/tag/terahertz）可以幫助在未來的無線網絡中實現每秒太比特的數據速率，但其應用受到它們通常保持有效的短距離的限制。現在，科學家們已經開發出一種利用片上設備有效塑造太赫茲光束的方法，這可以幫助將信號引導到特定設備，使連接更牢固、更可靠。研究人員的原型芯片可以同時支持四個實時未壓縮的高清視頻流，或八個每秒40Gb的無線鏈路。

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?太赫茲波（https://spectrum.ieee.org/photonic-topological-insulators-2658324693）位于電磁波譜上的光波和微波之間。顧名思義，它們的頻率范圍在0.1到10太赫茲之間。這些相對未使用的電波為未來的6G無線網絡及以后提供了更高的帶寬（https://spectrum.ieee.org/memristor-6g-switches）。

太比特鏈路最終可以支持廣泛的應用。印第安納州圣母大學和新加坡南洋理工大學的電氣工程教授Ranjan Singh表示，這些包括更快的互聯網連接、自動駕駛汽車、沒有延遲或中斷的虛擬和增強現實、遠程手術、智能城市以及8K或18K超高清視頻流。

太赫茲波的問題

形成太赫茲光束的有效方法對于使太赫茲無線通信成為現實至關重要。Singh說：“波束形成器是一種智能天線，它將無線信號聚焦在特定方向，而不是將其發送到任何地方。它們通過將信號精確地聚焦在需要的地方，而不是分散在整個地方，使通信更加高效。這種聚焦的信號可以傳播得更遠，即使在長距離上也能保持更好的質量。此外，通過向特定方向發送信號，波束形成器減少了對其他設備的干擾，使連接更加穩定。”

然而，目前的太赫茲波束形成器面臨著諸多挑戰。這些因素包括功耗、帶寬受限、設備笨重以及它們可以引導光束的方向范圍有限。

Singh和他的同事們已經構建了一種片上多鏈路寬帶太赫茲波束形成器，能夠在設備周圍的任何方向上發射無線波束。這個小工具依賴于新興的拓撲光子學領域。

拓撲學是數學中研究形狀的哪些特征可以在變形中存活的領域。例如，一個形狀像甜甜圈的物體可以被推拉成杯子的形狀，甜甜圈的孔在杯子的把手上形成孔，但它不能變形成沒有孔的形狀而不撕裂它。

利用拓撲學的見解，研究人員在2007年創造了第一個電子拓撲絕緣體。沿著這些材料的邊緣或表面行進的電子將繼續流動，盡管它們可能會遇到許多干擾，這有點類似于甜甜圈，從拓撲學上講，只要任何變化都沒有增加或消除空穴，它就會保持相同的形狀。

最近，科學家們建造了光子拓撲絕緣體（https://spectrum.ieee.org/semiconductors/optoelectronics/topological-photonics-what-it-is-why-we-need-it），其中光子受到類似的“拓撲保護”。這些材料的結構使特定波長的光在其中流動，而不會散射或損失，甚至在角落和缺陷周圍。

轉向太赫茲拓撲

在這項新的研究中，在神經網絡輔助設計的幫助下（https://spectrum.ieee.org/chip-design-controversy），研究人員制造了一個硅芯片，他們在芯片上打了一排三角形的孔。每個三角形的寬度在約84.9微米和157.6微米之間交替。這些孔呈簇狀排列，其中一排較小的三角形孔指向一排較大孔的相反方向。在某些集群中，較大的三角形孔都指向上方，而在另一些集群中，它們都指向下方。

進入該芯片的光在拓撲保護下沿著不同三角形孔簇之間的邊緣傳播。拓撲保護有助于引導芯片內的光線通過急轉彎和狹窄的空間，這使研究人員能夠將整個光束形成器縮小到芯片的大小。7月14日，科學家們在《自然》雜志上詳細介紹了他們的發現（https://www.nature.com/articles/s41586-024-07759-5）。

這種新的拓撲波束形成器可以實現30厘米以上72 Gbps的芯片到芯片無線鏈路，同時具有低功耗。該設備可以通過使用光來激發并因此關閉其可以發射的48束光束中的任何一束，從而根據需要調整其托管的通道數量。

Singh說：“目前的Wi-Fi速度需要11分鐘才能下載4K UHD視頻，但我們的72 Gbps太赫茲波束形成器芯片可以在6秒內實現。”

目前，Singh正專注于將太赫茲電子和光子學集成到單芯片平臺上。他說，這項工作面臨的一個主要挑戰是目前缺乏太赫茲頻率的高效功率放大器和電子振蕩器，這“嚴重限制了芯片上可以產生的太赫茲波的功率”。未來的研究必須優先考慮電子和光子元件的小型化，以實現足夠的太赫茲發電，為太赫茲片上技術的商業可行性鋪平道路。