太赫茲芯片，速度72Gbps

第六代無線網絡（6G）有望利用太赫茲頻段實現每秒太比特級的傳輸速度。然而，為了充分利用太赫茲頻譜，通常需要復雜的設備設計來建立多個高速連接。如今，研究表明，先進的拓撲材料最終可能有助于實現此類連接。研究人員研制的實驗設備實際上實現了每秒72吉比特的數據傳輸速率，并且覆蓋了其周圍超過75%的三維空間。

“它能提供極高的數據傳輸速度、無移動部件的廣覆蓋范圍、支持多條并發鏈路以及雙向通信，同時還能保持較低的信號損耗，”印第安納州南本德圣母大學電氣工程教授蘭詹·辛格(Ranjan Singh) 說。“目前的解決方案通常一次只能實現其中一到兩個特性，而且往往依賴于復雜的天線陣列或機械控制。”

拓撲學——研究形狀在形變過程中如何保持某些特性的數學——揭示了光可以在特殊結構材料中沿著受保護的路徑傳播，這些路徑能夠抵抗散射和缺陷。在這款太赫茲天線中，這種拓撲保護機制被設計成以可控的三維模式向外泄漏信號。

在這項新研究中，研究人員并沒有完全抑制泄漏，而是設計了一種芯片，允許部分流經芯片內部的太赫茲輻射泄漏出去。這種“泄漏波天線”的拓撲設計確保了信號能夠平穩傳輸，而不會出現明顯的損耗或失真，從而提高了帶寬和數據傳輸速率。

同時，由于光在微芯片內傳播的方式，當光泄漏出來時，它會呈錐形輻射，從而提供水平和垂直覆蓋，使天線能夠覆蓋周圍三維空間的75%。

辛格表示： “以往的許多太赫茲系統都是通過增加復雜的結構、大型天線陣列、機械波束控制或高度定制的組件來實現的。而這項技術的不同之處在于，它在不增加系統復雜性的前提下，實現了廣覆蓋、高速和多鏈路能力。”

硅芯片上布滿了成排的三角形孔——有些孔寬264微米，有些孔徑99微米。根據這些大小三角形孔的排列方式，太赫茲輻射要么在芯片內部流動，要么泄漏出去。

與以往最先進的非拓撲太赫茲天線相比，新設備在三維空間中的覆蓋范圍提高了 30 倍，數據傳輸速度提高了約 275 倍。

“即使設備移動或對準不完美，廣域空間覆蓋也能使無線鏈路保持靈活和穩定，”辛格說。

此外，這種新型微芯片既可以作為接收器，也可以作為發射器，使信號能夠沿著同一路徑雙向平穩傳輸，而不會相互干擾。

辛格表示：“早期的技術理論上也能實現類似的雙向通信，但需要更復雜的設計和嚴格控制的實驗裝置。這種復雜性使得實際演示極具挑戰性。通過簡化底層設計，我們的方法不僅在理論上實現了雙向多鏈路通信，而且在實踐中也切實可行。”

實驗表明，該天線的輻射效率達到了90%到100%，這意味著幾乎所有流經芯片的太赫茲信號都以精確可控的模式泄漏出去。這種高效率轉化為實際應用能力：該系統可以同時傳輸未壓縮的高清視頻，并保持24 Gb/s的高速無線數據鏈路。

辛格設想，在不久的將來，TeraFi（太赫茲Wi-Fi）將為家庭、辦公室和數據中心提供遠超當前標準的速度。“信號可以同時覆蓋多個方向，”他說道，這種能力使其“非常適合需要同時建立多個可靠連接的環境，包括車輛、工廠和機器人平臺。”

展望未來，辛格認為傳感是太赫茲技術的一個重要新機遇。“這項技術還支持太赫茲傳感和成像，包括太赫茲雷達（TeDAR ），這是一種高分辨率傳感方法，可以精確地檢測物體、距離和形狀。這為自主系統、智能基礎設施和工業監控等領域開辟了潛在的應用前景，在這些領域，快速通信和精確傳感都至關重要。”

然而，太赫茲技術歷來難以從實驗室走向實際應用。“我們的方法不同，”辛格說，“我們直接將光束控制集成到芯片結構中，而不是依賴脆弱的外部組件。這使得系統本身就具有很強的穩健性和可擴展性——它不再僅僅是實驗室里的新奇玩意兒，而是一條切實可行的發展道路。”

接下來，該團隊計劃將天線、輻射源、探測器和信號處理功能集成到單個芯片上，以構建完整的太赫茲系統。辛格表示，該團隊還希望測試由多個設備協同工作的網絡。

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（來源：編譯自IEEE）

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