近日，由杭州未来科技城（海创园）管委会指导，DeepTech 主办的世界科技青年论坛暨 “35 岁以下科技创新 35 人”（TR35）全球-亚太区线下发布仪式，在杭州未来科技城成功举办。
浙江大学百人计划研究员杨怡豪以《集成太赫兹通信》为主题，分享了他在太赫兹通信系统方向的最新研究成果。
太赫兹波是一种特殊的电磁波，频率在 0.1-10 太赫兹之间，波长则处于 0.03-3 毫米范围内，是介于电学与光学之间的频段。杨怡豪表示，对于该频段而言，由于其材料以及器件研究目前仍相对较少，所以该频段又被称为“太赫兹空隙”（THz gap）。
不过近几十年来，随着对太赫兹波研究的逐步深入，人们发现太赫兹波具有非常广泛的用途，比如雷达、遥感、高速通信、大气与环境监测、实时生物信息提取以及医学诊断等众多领域。以安检为例，由于太赫兹波能够透过衣服，可用于检测衣服背后携带的武器。
图 | 浙江大学百人计划研究员杨怡豪
打破 “最后一厘米” 通信瓶颈
据了解，杨怡豪课题组主要研究的是太赫兹通信系统。说到通信，就不得不关注太赫兹波在大气里的传输。由于大气里存在各种各样气体分子，包括水分子、氧分子、氮分子等等，不同分子对电磁波的吸收不一样。因此，如何避开大气分子的吸收损耗，选择最优工作频段就成了一件重要的事。
“一个比较好的太赫兹波段是在 0.2-0.35 太赫兹之间，而我们的工作也主要集中在这个频段范围。” 杨怡豪表示。
相对于微波通讯以及自由空间光学来说，太赫兹拥有三大优势。其一，太赫兹的带宽非常大，甚至可以达到数百千兆赫兹；其二，太赫兹信号处理速度快，能达到十几千兆比特每秒的速度；其三，太赫兹的信息传输速度快，能达到上百千兆比特每秒。此外，太赫兹系统尺寸较小，功耗低，且可全天候工作。
太赫兹通信有很多重要的应用场景，杨怡豪列举了一些范例，比如太赫兹无线数据中心，让不同服务器之间的通信通过无线太赫兹波传递。
此外，太赫兹通信技术通常被认为是下一代移动通信的关键技术之一，对于未来 6G 的发展具有重要意义。
另外，太赫兹通信技术为 “最后一厘米” 通信难题提供了解决方案。典型的 “最后一厘米” 通信问题包括芯片内部通信以及芯片间通信。在该尺度下，传统电学方式的损耗较大；而光学方式则需要复杂的光电转换设备，同样不是最佳选择。这就使得太赫兹通信成为打破 “最后一厘米” 通信瓶颈的关键。
从拓扑绝缘体获取灵感，研制新型高效太赫兹波导
然而，由于目前已有的太赫兹集成通信系统基本上都是基于金属材料，而金属材料对太赫兹波具有较强的吸收能力，并且频率越高吸收损耗越强，这就导致整个集成通信系统损耗严重。此外，已有设计方法对加工缺陷较敏感，对工艺精度要求较高。
那么该如何解决这个问题呢？杨怡豪把目光转向一个全新的领域--拓扑绝缘体。
拓扑绝缘体被认为是 “电子的高速公路”，是一种内部绝缘，却表面导电的新型量子材料，被认为有望解决芯片发热的问题。当把这种优良特性转移到电磁波或者光上，就形成了所谓的光学拓扑绝缘体（PTI，Photonic Topological Insulators）。
这种光学拓扑绝缘体内部不透光，边界却可以导光，并且该表面光波无视障碍物，可绕过杂质、缺陷等。因此，光学拓扑绝缘体的表面可以做成对杂质和缺陷免疫的高效波导。
受拓扑绝缘体的启发，杨怡豪团队构建了一种片上太赫兹拓扑光子晶体。据杨怡豪介绍，他们在一种 200 微米的硅片上打了一些微孔，孔的排布是类似石墨烯的碳原子分布，从而实现一种光学石墨烯结构。由于该结构采用高阻抗硅片实现，所以对太赫兹波的吸收损耗极低。
为了验证太赫兹波可通过界面传输，杨怡豪及团队构建了一个特殊的拓扑界面，并制备了三个样品，第一个样品具有高度弯折的界面，第二个样品具有直的界面，第三个样品则没有任何的界面。经过测试，发现太赫兹波在无界面的情况下透射率较低，而对于有界面的结构，不管界面是直的还是弯曲的，其透射率都非常高。
这说明太赫兹波确实可通过界面传递，并且能够很好地绕过尖锐拐角。同时，也意味着人们可以根据太赫兹波导构建包括天线在内的各种各样太赫兹器件。
另一方面，杨怡豪指出，“我们也需要有源器件去产生及调制太赫兹波”。最终，他选择了一种二级管元件，该元件不仅可产生太赫兹波，且其工作频率可达 2 太赫兹。
实现高速、无错传输，通信速度高达 100Gbit/s
杨怡豪表示，对于太赫兹通信来说，全硅基拓扑光学平台拥有几个比较大的优势：
第一，具有拓扑鲁棒性对工艺精度需求降低；第二，能够避免模式竞争导致的损耗；第三，拓扑边界态色散形式是线性的，可提高通信带宽；第四，该平台损耗非常低。
凭借上述优势，杨怡豪团队进行了通信实验，实现了高达 11Gbit/s 无错传输。对比传统的 4G 网络，其峰值大概是 100Mbit/s，而 5G 通信峰值是 1Gbit/s，这意味着太赫兹通信速度可以达到 4G 网络的 100 倍，5G 网络的十倍以上。借助这种无错传输，人们可以实现高清影像的实时输送。值得注意的是，对于无压缩的 4K 高清影像传输，其速率要求达到了 6Gbit/s。
目前，杨怡豪在日本以及新加坡的同事，正在采用一种更加复杂的调制方式，即通过 16 进制正交幅度调制，从而实现高达 100Gbit/s 的通信速度。
杨怡豪指出，其接下来将关注太赫兹通信在三个尺度上的应用，分别为 6G 无线通信，通信距离在 100-1000m 之间；太赫兹数据中心，通信距离大概在 1-10m 之间；太赫兹芯片互连，通信距离在 0.1-1cm 之间。
“未来的话，我们打算把各种各样的有源和无源器件集成在硅基太赫兹平台上面，包括接收器、发射器、混频器以及天线等等。” 杨怡豪表示。
延伸阅读：
《6G通信市场、设备及材料-2021版》
《5G小基站（Small Cell）技术及市场-2021版》
