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浙江青年学者造出超高速太赫兹无线芯片,是实现 6G 的关键技术

发布时间:2020-8-19     来源:胡巍巍 DeepTech深科技

“比起光芯片,太赫兹芯片可直接复用硅芯片的技术,前景十分可观。”


近日,新加坡南洋理工大学(下称 NTU)物理学分部与应用物理系副教授、《麻省理工科技评论》2012 年度全球 “35 岁以下科技创新 35 人” 上榜者张柏乐告诉 DeepTech,他的博士后杨怡豪基于光子拓扑绝缘体的概念,联合 NTU 以及日本大阪大学的专家研发出一款新型“拓扑保护”高速太赫兹互连芯片(下称太赫兹芯片)。


而今年年初张柏乐在《自然·光子学》Nature Photonics 发表的一篇论文,为本次芯片研发提供了一定的理论支持。


图 | 张柏乐(来源:NTU 官网)


具体到太赫兹(Terahertz,THz)本身来说,它是一个频率单位,其表示电磁波的振荡频率。它英文名称中的“T”,和硬盘中的“TB”一样,都是数量单位,其中

1THz= 1012Hz。


故此,太赫兹一般指频率在 0.1~10 THz(波长为 3000~30μm)范围内的电磁波,其介于红外光波和微波之间。


图 | 太赫兹的频率


而本次 NTU 和日本大阪大学研发的太赫兹芯片,不仅可以传输太赫兹波,还能产生每秒 11 Gbit 的数据速率, 并能支持 4K 高清视频的实时传输,且超过迄今为止 5G 通信每秒 10Gbit 的理论上限。


图 | 本次研发出来的太赫兹芯片,图为张柏乐的博士后杨怡豪


这样的成果,正好可以满足大众日益增高的数据传输速率要求。以 1G 和 5G 的对比为例,数据传输速率提高了几千倍,而通信中的无线电磁波频率也在不断提高。


对此,张柏乐解释称:“以我们每天都用的手机为例,手机需要有一个天线,然后天线去跟基站连接,进而可以传输信号。而电磁波需要有一个频率,该频率决定了通信速度的上限,频率越高、手机通信速度就越快。”


太赫兹波的波段,能覆盖半导体、等离子体、有机体和生物大分子等物质的特征谱,因此太赫兹波可作为诊断媒介,去诊断物理和化学的反应过程,从而在材料科学等领域发挥出作用。


因此近年来,业界对于太赫兹芯片的探索越来越多。而太赫兹芯片的优点在于,可以把电子芯片的频率,提高到太赫兹频段。


同时,太赫兹还是国际公认的、下一代高速无线通信交叉前沿科技,也是一种拥有较多独特优点的新型辐射源,其可以带来诱人的技术创新机会。


这主要是因为,特定物质的太赫兹光谱(如透射谱和反射谱)包含大量物理信息和化学信息,因此研究物质在该波段的光谱,对于探索物质结构具有重要意义。


可应用在大数据、物联网和远程通信等多领域


太赫兹技术的潜在应用领域,包括大数据中心、物联网设备、大型多核计算芯片、远程通信、大气与环境监测、实时生物信息提取与医学诊断等领域。


以物联网设备为例,这类设备需要处理大量数据,且要依赖通信网络、来提供超高速和低延迟。这时使用太赫兹技术,就能促进芯片之间的通信,进而给设备带来更强大的功能。


张柏乐表示,以加载太赫兹技术的自动驾驶汽车为例,由于该技术可以快速传输数据,因此可以让汽车更好地导航,并能帮助避免交通事故。


除自动驾驶以外,太赫兹芯片与拓扑设备的通信,可以打开通往每秒千兆位数据链路的途径,这些链路能支持 AI 技术和云计算技术,届时还可用于医疗保健、精密制造和全息通信(如微软 HoloLens 头显)等。


此外,太赫兹芯片并不限于人们常知的手机芯片和车载芯片,在未来 6G 替换 5G 的过程中,所有芯片都可以被替换。而这一过程正是太赫兹通讯,其可以广泛应用于下一代通信当中。


太赫兹芯片的制作材料和制作步骤


制作材料:光子拓扑绝缘体是重要组成部分


太赫兹芯片的主要组成部分,是光子拓扑绝缘体(PTI,Photonic Topological Insulators)。


拓扑,是英文单词 Topology 的中文音译,Topology 原本是一个数学分支,其主要研究几何图形或空间、在连续变化下维持不变的性质。

图 | 一种重要的拓扑学结构:莫比乌斯带(来源:IC photo)


张柏乐告诉 DeepTech,拓扑材料是当今科学界一个很大的主流话题,很多学者都在为其努力。


具体到光子拓扑绝缘体来说,它可以非常可靠地传导光信号,并且不受缺陷、杂质和各种干扰的影响,通信速度也可以得到提高。


这种对干扰的免疫性称,称之为“拓扑保护”,该研究一开始来源于凝聚态物理,并且产生了革命性的影响,现在正以不可思议的速度扩展到了光学、声学,以及各种之前从未想过的应用上。


通过使用当前的硅制造工艺设计和生产小型化平台,NTU 的太赫兹芯片将很容易集成到电子和光子电路设计中,并将有助于将来太赫兹的广泛采用。


制作步骤:设计三角孔小硅芯片是关键


据张柏乐介绍,不同于光芯片需要从 0 到 1 开始做,太赫兹芯在制备上可以借鉴硅芯片的技术。


2020 年初,张柏乐的博士后杨怡豪,带领 NTU 和日本大阪大学的团队,在《自然 · 光子学》发表一篇题为《太赫兹拓扑光子学用于片上通信》(Terahertz topological photonics for on-chip communication)的论文。该论文提到,太赫兹芯片在 5G 和 6G 方面有着巨大潜力,然而要想实现高集成(high integration)、低成本的解决方案,依然有需要攻克的问题。


比如,使用常规方法制备太赫兹波导器件时,稍有不慎就会被材料缺陷、和材料弯曲所影响。


为解决上述难题,研究团队以“谷态”光子拓扑绝缘体为基础,通过全硅芯片上的尖锐弯折实验,证明了太赫兹拓扑谷传输的强大能力。


具体来说,谷状(valley states)由于具有鲁棒性、单模传输和线性色散等三大性能,因此是极好的信息载体。


两年前,研究团队就已经发现了“谷态”光子拓扑绝缘体的奇特物理特性,并在微波波段首次实验验证了“拓扑保护”现象。


利用上述状态,研究团队进一步在太赫兹波段,实现了“谷态”光子拓扑绝缘体,并成功演示出在太赫兹芯片上的无差错通信,并能实时传输未压缩的 4K 高清晰度视频。


具体做法是,先设计带有一排三角孔的小硅芯片,当小三角孔与大三角孔指向相反方向,光波就能得到 “拓扑保护”,最终让太赫兹芯片实现无差错地传输信号,还能让太赫兹芯片对此前硅芯片可能出现的任何制造缺陷免疫,就像“打了疫苗一样”。


图 | 用三角孔来实现 “拓扑保护”(来源:Nature Photonics )


是实现 6G 的关键技术,比 5G 快 10 到 100 倍


本次 NTU 太赫兹芯片的诞生,标志着人类在太赫兹光谱区域,首次实现光子拓扑绝缘体。这意味着更多的光子拓扑绝缘体太赫兹,将可以互连集成到无线通信设备中,从而为 6G 通信提供前所未有的每秒 TB 级的速度,其比 5G 还要快 10 到 100 倍。


对于光子拓扑绝缘体的研究,是张柏乐学术生涯的一大步,这位来自浙江湖州的青年学者,目前的研究方向包括电磁波理论、隐形隐身、超材料和声学。


此前他曾凭借隐身衣的成果,入选 TR35,后又成为第一位中国 TED 研究员,并参加 TED2013 大会。在他的实验室中,也有多位来自浙江大学的博士生。将声学和光学结合在一起来造福科技,正是他所追求的事。


全球都在为太赫兹技术“赛跑”


也许你是第一次听说太赫兹芯片,但国内外早已开始该技术的研究。


此前,美国、欧盟、日本等国都在加速发展面向 6G 的太赫兹通信技术。2019 年日本电信电话集团(NTT)宣布研发出太赫兹频段的射频芯片。


美国贝尔实验室、德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所、加拿大多伦多大学、法国微电子与纳米研究院等,均已投入巨大精力研究该技术。


早在 2018 年,中国电子科技集团公司第十三研究所,就已发布首款国产太赫兹成像芯片,该芯片可对人体进行成像,主要应用于安检领域。


2018 年,全球知名市场研究公司 Transparency Market Research 的研究报告显示,预计 2023 年全球太赫兹组件和系统市场将达 4.15 亿美元。而张柏乐和杨怡豪等行业专家也将使用相关技术,带领我们在 5G 和 6G 中,更深地体会太赫兹带来的便利。

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