拓扑结构使片上太赫兹波束形成成为现实

Wenhao Wang, Guillaume Ducournau, and Ranjan Singh

太赫兹波（https://spectrum.ieee.org/tag/terahertz）可以帮助在未来的无线网络中实现每秒太比特的数据速率，但其应用受到它们通常保持有效的短距离的限制。现在，科学家们已经开发出一种利用片上设备有效塑造太赫兹光束的方法，这可以帮助将信号引导到特定设备，使连接更牢固、更可靠。研究人员的原型芯片可以同时支持四个实时未压缩的高清视频流，或八个每秒40Gb的无线链路。

 太赫兹波（https://spectrum.ieee.org/photonic-topological-insulators-2658324693）位于电磁波谱上的光波和微波之间。顾名思义，它们的频率范围在0.1到10太赫兹之间。这些相对未使用的电波为未来的6G无线网络及以后提供了更高的带宽（https://spectrum.ieee.org/memristor-6g-switches）。

太比特链路最终可以支持广泛的应用。印第安纳州圣母大学和新加坡南洋理工大学的电气工程教授Ranjan Singh表示，这些包括更快的互联网连接、自动驾驶汽车、没有延迟或中断的虚拟和增强现实、远程手术、智能城市以及8K或18K超高清视频流。

太赫兹波的问题

形成太赫兹光束的有效方法对于使太赫兹无线通信成为现实至关重要。Singh说：“波束形成器是一种智能天线，它将无线信号聚焦在特定方向，而不是将其发送到任何地方。它们通过将信号精确地聚焦在需要的地方，而不是分散在整个地方，使通信更加高效。这种聚焦的信号可以传播得更远，即使在长距离上也能保持更好的质量。此外，通过向特定方向发送信号，波束形成器减少了对其他设备的干扰，使连接更加稳定。”

然而，目前的太赫兹波束形成器面临着诸多挑战。这些因素包括功耗、带宽受限、设备笨重以及它们可以引导光束的方向范围有限。

Singh和他的同事们已经构建了一种片上多链路宽带太赫兹波束形成器，能够在设备周围的任何方向上发射无线波束。这个小工具依赖于新兴的拓扑光子学领域。

拓扑学是数学中研究形状的哪些特征可以在变形中存活的领域。例如，一个形状像甜甜圈的物体可以被推拉成杯子的形状，甜甜圈的孔在杯子的把手上形成孔，但它不能变形成没有孔的形状而不撕裂它。

利用拓扑学的见解，研究人员在2007年创造了第一个电子拓扑绝缘体。沿着这些材料的边缘或表面行进的电子将继续流动，尽管它们可能会遇到许多干扰，这有点类似于甜甜圈，从拓扑学上讲，只要任何变化都没有增加或消除空穴，它就会保持相同的形状。

最近，科学家们建造了光子拓扑绝缘体（https://spectrum.ieee.org/semiconductors/optoelectronics/topological-photonics-what-it-is-why-we-need-it），其中光子受到类似的“拓扑保护”。这些材料的结构使特定波长的光在其中流动，而不会散射或损失，甚至在角落和缺陷周围。

转向太赫兹拓扑

在这项新的研究中，在神经网络辅助设计的帮助下（https://spectrum.ieee.org/chip-design-controversy），研究人员制造了一个硅芯片，他们在芯片上打了一排三角形的孔。每个三角形的宽度在约84.9微米和157.6微米之间交替。这些孔呈簇状排列，其中一排较小的三角形孔指向一排较大孔的相反方向。在某些集群中，较大的三角形孔都指向上方，而在另一些集群中，它们都指向下方。

进入该芯片的光在拓扑保护下沿着不同三角形孔簇之间的边缘传播。拓扑保护有助于引导芯片内的光线通过急转弯和狭窄的空间，这使研究人员能够将整个光束形成器缩小到芯片的大小。7月14日，科学家们在《自然》杂志上详细介绍了他们的发现（https://www.nature.com/articles/s41586-024-07759-5）。

这种新的拓扑波束形成器可以实现30厘米以上72 Gbps的芯片到芯片无线链路，同时具有低功耗。该设备可以通过使用光来激发并因此关闭其可以发射的48束光束中的任何一束，从而根据需要调整其托管的通道数量。

Singh说：“目前的Wi-Fi速度需要11分钟才能下载4K UHD视频，但我们的72 Gbps太赫兹波束形成器芯片可以在6秒内实现。”

目前，Singh正专注于将太赫兹电子和光子学集成到单芯片平台上。他说，这项工作面临的一个主要挑战是目前缺乏太赫兹频率的高效功率放大器和电子振荡器，这“严重限制了芯片上可以产生的太赫兹波的功率”。未来的研究必须优先考虑电子和光子元件的小型化，以实现足够的太赫兹发电，为太赫兹片上技术的商业可行性铺平道路。