浙江青年學者造出超高速太赫茲無線晶片，是實現 6G 的關鍵技術

「比起光晶片，太赫茲晶片可直接復用矽晶片的技術，前景十分可觀。」

近日，新加坡南洋理工大學（下稱 NTU）物理學分部與應用物理系副教授、《麻省理工科技評論》2012 年度全球 「35 歲以下科技創新 35 人」 上榜者張柏樂告訴 DeepTech，他的博士後楊怡豪基於光子拓撲絕緣體的概念，聯合 NTU 以及日本大阪大學的專家研發出一款新型「拓撲保護」高速太赫茲互連晶片（下稱太赫茲晶片）。

而今年年初張柏樂在《自然·光子學》Nature Photonics 發表的一篇論文，為本次晶片研發提供了一定的理論支持。

圖 | 張柏樂（來源：NTU 官網）

具體到太赫茲（Terahertz，THz）本身來說，它是一個頻率單位，其表示電磁波的振蕩頻率。它英文名稱中的「T」，和硬碟中的「TB」一樣，都是數量單位，其中

1THz= 1012Hz。

故此，太赫茲一般指頻率在 0.1~10 THz（波長為 3000～30μm）範圍內的電磁波，其介於紅外光波和微波之間。

圖 | 太赫茲的頻率

而本次 NTU 和日本大阪大學研發的太赫茲晶片，不僅可以傳輸太赫茲波，還能產生每秒 11 Gbit 的數據速率， 並能支持 4K 高清視頻的實時傳輸，且超過迄今為止 5G 通信每秒 10Gbit 的理論上限。

圖 | 本次研發出來的太赫茲晶片，圖為張柏樂的博士後楊怡豪

這樣的成果，正好可以滿足大眾日益增高的數據傳輸速率要求。以 1G 和 5G 的對比為例，數據傳輸速率提高了幾千倍，而通信中的無線電磁波頻率也在不斷提高。

對此，張柏樂解釋稱：「以我們每天都用的手機為例，手機需要有一個天線，然後天線去跟基站連接，進而可以傳輸信號。而電磁波需要有一個頻率，該頻率決定了通信速度的上限，頻率越高、手機通信速度就越快。」

太赫茲波的波段，能覆蓋半導體、等離子體、有機體和生物大分子等物質的特徵譜，因此太赫茲波可作為診斷媒介，去診斷物理和化學的反應過程，從而在材料科學等領域發揮出作用。

因此近年來，業界對於太赫茲晶片的探索越來越多。而太赫茲晶片的優點在於，可以把電子晶片的頻率，提高到太赫茲頻段。

同時，太赫茲還是國際公認的、下一代高速無線通信交叉前沿科技，也是一種擁有較多獨特優點的新型輻射源，其可以帶來誘人的技術創新機會。

這主要是因為，特定物質的太赫茲光譜（如透射譜和反射譜）包含大量物理信息和化學信息，因此研究物質在該波段的光譜，對於探索物質結構具有重要意義。

可應用在大數據、物聯網和遠程通信等多領域

太赫茲技術的潛在應用領域，包括大數據中心、物聯網設備、大型多核計算晶片、遠程通信、大氣與環境監測、實時生物信息提取與醫學診斷等領域。

以物聯網設備為例，這類設備需要處理大量數據，且要依賴通信網絡、來提供超高速和低延遲。這時使用太赫茲技術，就能促進晶片之間的通信，進而給設備帶來更強大的功能。

張柏樂表示，以加載太赫茲技術的自動駕駛汽車為例，由於該技術可以快速傳輸數據，因此可以讓汽車更好地導航，並能幫助避免交通事故。

除自動駕駛以外，太赫茲晶片與拓撲設備的通信，可以打開通往每秒千兆位數據鏈路的途徑，這些鏈路能支持 AI 技術和雲計算技術，屆時還可用於醫療保健、精密製造和全息通信（如微軟 HoloLens 頭顯）等。

此外，太赫茲晶片並不限於人們常知的手機晶片和車載晶片，在未來 6G 替換 5G 的過程中，所有晶片都可以被替換。而這一過程正是太赫茲通訊，其可以廣泛應用於下一代通信當中。

太赫茲晶片的製作材料和製作步驟

製作材料：光子拓撲絕緣體是重要組成部分

太赫茲晶片的主要組成部分，是光子拓撲絕緣體（PTI，Photonic Topological Insulators）。

拓撲，是英文單詞 Topology 的中文音譯，Topology 原本是一個數學分支，其主要研究幾何圖形或空間、在連續變化下維持不變的性質。

圖 | 一種重要的拓撲學結構：莫比烏斯帶（來源：IC photo）

張柏樂告訴 DeepTech，拓撲材料是當今科學界一個很大的主流話題，很多學者都在為其努力。

具體到光子拓撲絕緣體來說，它可以非常可靠地傳導光信號，並且不受缺陷、雜質和各種幹擾的影響，通信速度也可以得到提高。

這種對幹擾的免疫性稱，稱之為「拓撲保護」，該研究一開始來源於凝聚態物理，並且產生了革命性的影響，現在正以不可思議的速度擴展到了光學、聲學，以及各種之前從未想過的應用上。

通過使用當前的矽製造工藝設計和生產小型化平臺，NTU 的太赫茲晶片將很容易集成到電子和光子電路設計中，並將有助於將來太赫茲的廣泛採用。

製作步驟：設計三角孔小矽晶片是關鍵

據張柏樂介紹，不同於光晶片需要從 0 到 1 開始做，太赫茲芯在製備上可以借鑑矽晶片的技術。

2020 年初，張柏樂的博士後楊怡豪，帶領 NTU 和日本大阪大學的團隊，在《自然 · 光子學》發表一篇題為《太赫茲拓撲光子學用於片上通信》（Terahertz topological photonics for on-chip communication）的論文。該論文提到，太赫茲晶片在 5G 和 6G 方面有著巨大潛力，然而要想實現高集成（high integration）、低成本的解決方案，依然有需要攻克的問題。

比如，使用常規方法製備太赫茲波導器件時，稍有不慎就會被材料缺陷、和材料彎曲所影響。

為解決上述難題，研究團隊以「谷態」光子拓撲絕緣體為基礎，通過全矽晶片上的尖銳彎折實驗，證明了太赫茲拓撲谷傳輸的強大能力。

具體來說，谷狀（valley states）由於具有魯棒性、單模傳輸和線性色散等三大性能，因此是極好的信息載體。

兩年前，研究團隊就已經發現了「谷態」光子拓撲絕緣體的奇特物理特性，並在微波波段首次實驗驗證了「拓撲保護」現象。

利用上述狀態，研究團隊進一步在太赫茲波段，實現了「谷態」光子拓撲絕緣體，並成功演示出在太赫茲晶片上的無差錯通信，並能實時傳輸未壓縮的 4K 高清晰度視頻。

具體做法是，先設計帶有一排三角孔的小矽晶片，當小三角孔與大三角孔指向相反方向，光波就能得到 「拓撲保護」，最終讓太赫茲晶片實現無差錯地傳輸信號，還能讓太赫茲晶片對此前矽晶片可能出現的任何製造缺陷免疫，就像「打了疫苗一樣」。

圖 | 用三角孔來實現 「拓撲保護」（來源：Nature Photonics ）

是實現 6G 的關鍵技術，比 5G 快 10 到 100 倍

本次 NTU 太赫茲晶片的誕生，標誌著人類在太赫茲光譜區域，首次實現光子拓撲絕緣體。這意味著更多的光子拓撲絕緣體太赫茲，將可以互連集成到無線通信設備中，從而為 6G 通信提供前所未有的每秒 TB 級的速度，其比 5G 還要快 10 到 100 倍。

對於光子拓撲絕緣體的研究，是張柏樂學術生涯的一大步，這位來自浙江湖州的青年學者，目前的研究方向包括電磁波理論、隱形隱身、超材料和聲學。

此前他曾憑藉隱身衣的成果，入選 TR35，後又成為第一位中國 TED 研究員，並參加 TED2013 大會。在他的實驗室中，也有多位來自浙江大學的博士生。將聲學和光學結合在一起來造福科技，正是他所追求的事。

全球都在為太赫茲技術「賽跑」

也許你是第一次聽說太赫茲晶片，但國內外早已開始該技術的研究。

此前，美國、歐盟、日本等國都在加速發展面向 6G 的太赫茲通信技術。2019 年日本電信電話集團（NTT）宣布研發出太赫茲頻段的射頻晶片。

美國貝爾實驗室、德國弗勞恩霍夫應用固體物理研究所、加拿大多倫多大學、法國微電子與納米研究院等，均已投入巨大精力研究該技術。

早在 2018 年，中國電子科技集團公司第十三研究所，就已發布首款國產太赫茲成像晶片，該晶片可對人體進行成像，主要應用於安檢領域。

2018 年，全球知名市場研究公司 Transparency Market Research 的研究報告顯示，預計 2023 年全球太赫茲組件和系統市場將達 4.15 億美元。而張柏樂和楊怡豪等行業專家也將使用相關技術，帶領我們在 5G 和 6G 中，更深地體會太赫茲帶來的便利。