科学家研发太赫兹波束形成器，工作带宽高达30GHz

近日，电子科技大学博士毕业生、新加坡南洋理工大学博士后王文昊和同事造出一种新型波束形成器，借此攻克太赫兹无线通信中长期存在的高路径损耗问题，相关论文发表于Nature。

研究中，课题组结合神经网络辅助逆向设计，将片上太赫兹信号定向地发射至自由空间，实现了具有任意太赫兹波束数量以及任意角度的 360° 全方位角波束赋形。

即通过利用拓扑谷光子晶体强大的光操纵能力，让这款波束形成器得以拥有高宽带、低损耗的优点，并能实现 360° 的全方位角覆盖范围。

此外，他们还基于这款拓扑波束形成器实现了具有 72 Gbit/s 传输速率的单个无线链路、8 个 40 Gbit/s 传输速率的无线链路，并演示了实时高清视频无线传输。

对于实现高效、大规模的太赫兹波束赋形来说，这款波束形成器能够提供一个理想的互补金属氧化物半导体（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconducto）兼容的集成拓扑光子平台，能助力于实现传输速率大于 1 Tbit/s = 1000 Gbit/s 的 6G 无线通信以及更新一代的未来通信。

太赫兹和 6G 通信的“相生相伴”

据王文昊介绍，太赫兹波具备高容量、低延迟、连接性广泛等优势，在无线通信领域具有巨大的潜力，能给 6G 乃至更新一代的通信网络带来革命性改变。

在 6G 通信中，要想实现节能连接、补偿路径损耗、优化资源使用、以及提高频谱效率，就必须使用高效的波束形成器。

传统的太赫兹波束赋形方法，一般包括采用电子或者光学有源相控阵、使用可重构的衍射结构、以及利用色散结构进行频率扫描等。

这让此前的波束形成器依然面临如下几个挑战：损耗严重、带宽有限、空间覆盖受限、与片上太赫兹电路的集成度较差。

同时，人们一直未能实现具有大带宽、低能量损耗、紧凑结构设计、以及大角度范围的高效太赫兹波束赋形。

首个实现一对四的太赫兹无线通信实验

大约在两年前，从电子科技大学博士毕业之后，王文昊来到新加坡南洋理工大学从事博士后研究。

在一次讨论中，他和导师兰詹·辛格（Ranjan Singh）教授谈及上述问题时，谈完之后他们认为可以借鉴光学波段的光学相控阵设计方案。

于是，他们尝试搭建类似于光学相控阵的结构体系，以便将这种结构体系引入到太赫兹平台。

随后，他们基于在谷光子晶体结构体系的前期探索 [1]，试着在太赫兹频段上实现类似的光学相控阵。

同时，他们还将神经网络辅助的逆向设计引入样品设计，借此让波束形成器的结构得到进一步优化。

即通过神经网络辅助逆向设计，来调整各个分支的输出锥体耦合器阵列的相位分布，从而能够在 360° 的全方位角范围之内，实现任意数量和任意角度的宽带波束赋形。

造出光学相控阵之后，王文昊等人分别在南洋理工大学和法国里尔大学的合作者那里开展测试。

为了验证三维辐射图案，法国合作者定制出一种金属框架来进行三维扫描，以便确认样品是否符合预期效果。

在法国合作者完成测试之后，王文昊和同事又开展了通信测试，包括利用 8 个无线链路中的其中 4 个，向 4 个方位角方向实现了实时高清视频的无线传输。

通过使用其中四个无线链路，他们演示了一对四的实时高清视频传输。借此验证了四通道样品的实时视频传输能力，实验结果证明所制备的样品具备一定的实际应用能力。

当样品收到馈入的视频信号之后，可以同时向四个方向将其定向发射至自由空间中。

与此同时，在接收端王文昊使用了一个装载在旋转台上的喇叭天线，当天线旋转到正确方向之时，就能接收到信号，从而进行视频传输。

当把信号输入样品之后，样品会将信号分配到不同的分支。同时，在他和同事设计的结构中，信号能够以定向的方式，向自由空间发出八个波束。

而在看到视频的时候，王文昊非常激动。因为这是第一个在实际应用场景中完成的验证，也是第一个能够同时实现一对四的太赫兹无线通信实验。

该团队打造的这种与互补金属氧化物半导体兼容的太赫兹拓扑光子集成电路，能用于大规模波束的高效形成，其能支持大规模的单输入多输出和多输入多输出，有望实现每秒数万亿比特的 6G 无线通信。

事实上，在实验方案的设计初期，王文昊原本以为每个通道的相位都是一致的，因此只会有一个波束出射，但是仿真结果却出现了两个波束。

这个问题让他和同事备受困扰，后来他们发现问题出在相邻通道之间的相位翻转，而这种翻转源于波导边界态的奇偶性。发现这一点之后，他们改进了设计方案并让实验得以顺利完成。

此外，王文昊等人之所以有信心将论文投稿到Nature，是因为本次提出的六分支设计以及实验验证的多通道无线链路传输，在当时是一个十分具有创新性的突破。

如前所述，对于传统的太赫兹波束形成器设计方案来说，它在低损耗、大带宽和调节角度方面面临着很多挑战。

而他和同事打造的谷光子晶体片上平台，不仅具备低损耗和高宽带（当个无线链路的通讯速率达 72Gbit/s）等优点，还能实现较大的角度调节范围。

与此同时，王文昊打造的是一款能被用于无线通讯的波束形成器。

研究中，当他和同事设计六个分支之后，通过仿真模拟和实验验证，他们观察到该波束形成器确实能在每个分支发射出太赫兹波束。

最终，这款波束形成器的载波频率得以高达 300GHz 以上，并具有 184 个密集排列的谷锁定波导、54 个功率分配器和 136 个锐角弯曲结构。

利用神经网络辅助的逆向设计，这款波束形成器能够实现 360° 全方位角的波束形成，增益高达 20dBi，并能通过用户自定义的波束将片上太赫兹信号辐射到自由空间。

通过谷锁定的能流涡旋，所提出的波束形成器能在波导相控阵中进行波导、分波、以及完美的通道隔离，从而实现太赫兹波束的可重构控制。

同时，这款波束形成器具备低损耗和高带宽，可以实现 300 毫米以上的 72 Gbps 芯片间的无线连接，并能同时提供 8 个 40 Gbps 的无线链路。

具体来说，他们将 6 个 8 通道波束形成器集成在一个硅芯片上，这款芯片上紧凑地集成着 184 个波导、54 个功分器、以及 136 个锐利的转角。

但是，整个芯片的尺寸仅为 3.5×3.2 平方厘米，大约等于 34.7× 37.9 波长平方。每个波束形成器的分支相隔 60° 方位角，并能沿着各分支的相对 0° 方位角方向，出射一个宽带太赫兹波束。

凭借这些出色成果，本次论文被Nature接收发表，题目为《用于多链路太赫兹 6G 到 XG 无线通信的片上拓扑波束形成器》（On-chip topological beamformer for multi-link terahertz 6G to XG wireless）[2]。

王文昊是第一作者，南洋理工大学兰詹·辛格（Ranjan Singh）担任通讯作者。

下一步，王文昊计划引入可调控的元素，研发能被动态调控的太赫兹波束形成器，让信号能够随着用户的移动来实时调整发射方向。

此外，目前的成果基于静态设计方案，因此器件所发射的波束方向和波束数量都是固定的。

因此，如何让信号跟随用户移动，从而能够动态调整发射角度，也将是他们下一步的研究方向。

另据悉，王文昊本科和硕士分别就读于北京化工大学和电子科技大学。博士期间，他以联合培养的方式来到新加坡南洋理工大学。

后来，在他回到电子科技大学拿到博士学位之后，他又来到南洋理工大学从事博士后研究。目前，他还没有出站，因此将继续在新加坡开展新的课题。

参考资料：

1.Yang, Yihao, et al. "Terahertz topological photonics for on-chip communication."Nature Photonics14.7 (2020): 446-451.

2.Wang, W., Tan, Y.J., Tan, T.C. et al. On-chip topological beamformer for multi-link terahertz 6G to XG wireless.Nature632, 522–527 (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-07759-5

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