一种有助于控制片上太赫兹通信的新兴硅器件。（南洋理工大学）

下一代无线通信——6G可能会依赖太赫兹（terahertz）射线来帮助达到前所未有的速度。研究表明，不寻常的拓扑物理学可能有助于控制6G应用芯片上的太赫兹辐射。

太赫兹波(也称为亚毫米波辐射或远红外光)在电磁波谱上介于光波和微波之间。频率范围从0.1-10太赫兹，这些波可能是未来6G无线网络的关键。

“太赫兹技术是开发6G设备、产品、服务和无处不在的连接的关键推动因素，将重新定义我们如何创建、消费和传输数据，”该研究的高级作者、新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University）的光子学研究员Ranjan Singh说。

6G的愿景包括每秒万亿比特的惊人速度，以支持自动驾驶汽车、增强现实和沉浸式远程呈现等应用。这些目标要求片上通信技术提供超过每秒100Gbit(数十亿位)的数据速率。

然而，现有的太赫兹片上通信设备存在信号散射、串扰(信号在通道之间泄漏)以及无法在多个通道之间主动调谐的问题。这些问题将这些设备限制在数据传输速度每秒几十Gbit以内的应用上。

“使用太赫兹载波频率来计算、处理和传输大量数据，需要构建一种新型的集成电路架构，”Singh说。

Singh和他的同事现在揭示了拓扑光子学领域的发展可能有助于克服这些挑战。他们在2022年9月15日的《自然通讯》杂志上详细介绍了他们的发现。

拓扑学是数学的一个分支，它研究形状的哪些特征可以经受住变形。例如，一个形状像甜甜圈的物体可以被推拉成马克杯的形状，这样甜甜圈的孔就形成了杯子把手的孔。然而，物体不会失去它的洞，除非变成一个完全不同的形状。

利用拓扑学的见解，研究人员在2007年开发了第一个电子拓扑绝缘体。沿着这些材料的边缘或表面快速移动的电子强烈抵制任何可能阻碍它们流动的干扰，就像一个甜甜圈形状的物体无论如何变形都将保持相同的基本拓扑结构——只要洞保持完整。这一突破获得了2016年诺贝尔物理学奖。

最近，科学家创造了光子拓扑绝缘体，其中光子也受到类似的“拓扑保护”这些材料通常在其结构中具有规则的变化，使得特定波长的光在其中流动而没有散射或损失，即使在角落和瑕疵周围也是如此。这种材料的一个可能的应用是结合拓扑保护的激光器，这可能比传统设备更有效和更鲁棒地防止缺陷。另一个应用可能是帮助数据以每秒1万亿比特的速度通过芯片。

在这项新的研究中，研究人员制造了一个200微米厚，大约20厘米宽的硅片。他们在上面打了几排三角形的孔。每个三角形的宽度在72.75和169.75微米之间交替变化，较小的三角形指向较大三角形的相反方向。这些成排的洞被排列成簇，其中所有较大的三角形要么向上要么向下。进入芯片的光沿着不同孔组之间的界面流动，受到拓扑保护。

这种新的片上拓扑波导可以支持单通道宽带通信链路，数据速率高达160Gb/s。研究人员表明，他们可以使用光来主动打开和关闭芯片。

科学家们还将这种设备耦合到片上拓扑解复用器，使通信网络中能够同时出现多个独立信号。他们发现他们可以实现两个完全隔离的数据信号，没有任何串扰。一个通道支持1.5 Gb/s的实时未压缩高清视频流，而另一个通道支持40Gb/s的数据传输。

Singh说，新的拓扑芯片将成为开发“用于新兴6G设备的太赫兹集成电路”的垫脚石。

原文链接：

https://spectrum.ieee.org/photonic-topological-insulators-2658324693

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