太赫兹芯片，速度72Gbps

第六代无线网络（6G）有望利用太赫兹频段实现每秒太比特级的传输速度。然而，为了充分利用太赫兹频谱，通常需要复杂的设备设计来建立多个高速连接。如今，研究表明，先进的拓扑材料最终可能有助于实现此类连接。研究人员研制的实验设备实际上实现了每秒72吉比特的数据传输速率，并且覆盖了其周围超过75%的三维空间。

“它能提供极高的数据传输速度、无移动部件的广覆盖范围、支持多条并发链路以及双向通信，同时还能保持较低的信号损耗，”印第安纳州南本德圣母大学电气工程教授兰詹·辛格(Ranjan Singh) 说。“目前的解决方案通常一次只能实现其中一到两个特性，而且往往依赖于复杂的天线阵列或机械控制。”

拓扑学——研究形状在形变过程中如何保持某些特性的数学——揭示了光可以在特殊结构材料中沿着受保护的路径传播，这些路径能够抵抗散射和缺陷。在这款太赫兹天线中，这种拓扑保护机制被设计成以可控的三维模式向外泄漏信号。

在这项新研究中，研究人员并没有完全抑制泄漏，而是设计了一种芯片，允许部分流经芯片内部的太赫兹辐射泄漏出去。这种“泄漏波天线”的拓扑设计确保了信号能够平稳传输，而不会出现明显的损耗或失真，从而提高了带宽和数据传输速率。

同时，由于光在微芯片内传播的方式，当光泄漏出来时，它会呈锥形辐射，从而提供水平和垂直覆盖，使天线能够覆盖周围三维空间的75%。

辛格表示： “以往的许多太赫兹系统都是通过增加复杂的结构、大型天线阵列、机械波束控制或高度定制的组件来实现的。而这项技术的不同之处在于，它在不增加系统复杂性的前提下，实现了广覆盖、高速和多链路能力。”

硅芯片上布满了成排的三角形孔——有些孔宽264微米，有些孔径99微米。根据这些大小三角形孔的排列方式，太赫兹辐射要么在芯片内部流动，要么泄漏出去。

与以往最先进的非拓扑太赫兹天线相比，新设备在三维空间中的覆盖范围提高了 30 倍，数据传输速度提高了约 275 倍。

“即使设备移动或对准不完美，广域空间覆盖也能使无线链路保持灵活和稳定，”辛格说。

此外，这种新型微芯片既可以作为接收器，也可以作为发射器，使信号能够沿着同一路径双向平稳传输，而不会相互干扰。

辛格表示：“早期的技术理论上也能实现类似的双向通信，但需要更复杂的设计和严格控制的实验装置。这种复杂性使得实际演示极具挑战性。通过简化底层设计，我们的方法不仅在理论上实现了双向多链路通信，而且在实践中也切实可行。”

实验表明，该天线的辐射效率达到了90%到100%，这意味着几乎所有流经芯片的太赫兹信号都以精确可控的模式泄漏出去。这种高效率转化为实际应用能力：该系统可以同时传输未压缩的高清视频，并保持24 Gb/s的高速无线数据链路。

辛格设想，在不久的将来，TeraFi（太赫兹Wi-Fi）将为家庭、办公室和数据中心提供远超当前标准的速度。“信号可以同时覆盖多个方向，”他说道，这种能力使其“非常适合需要同时建立多个可靠连接的环境，包括车辆、工厂和机器人平台。”

展望未来，辛格认为传感是太赫兹技术的一个重要新机遇。“这项技术还支持太赫兹传感和成像，包括太赫兹雷达（TeDAR ），这是一种高分辨率传感方法，可以精确地检测物体、距离和形状。这为自主系统、智能基础设施和工业监控等领域开辟了潜在的应用前景，在这些领域，快速通信和精确传感都至关重要。”

然而，太赫兹技术历来难以从实验室走向实际应用。“我们的方法不同，”辛格说，“我们直接将光束控制集成到芯片结构中，而不是依赖脆弱的外部组件。这使得系统本身就具有很强的稳健性和可扩展性——它不再仅仅是实验室里的新奇玩意儿，而是一条切实可行的发展道路。”

接下来，该团队计划将天线、辐射源、探测器和信号处理功能集成到单个芯片上，以构建完整的太赫兹系统。辛格表示，该团队还希望测试由多个设备协同工作的网络。

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（来源：编译自IEEE）

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