“比起光芯片，太赫茲芯片可直接復用硅芯片的技術，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(chuàng)新 35 人” 上榜者張柏樂告訴 DeepTech，他的博士后楊怡豪基于光子拓撲絕緣體的概念，聯(lián)合 NTU 以及日本大阪大學的專家研發(fā)出一款新型“拓撲保護”高速太赫茲互連芯片（下稱太赫茲芯片）。

而今年年初張柏樂在《自然·光子學》Nature Photonics 發(fā)表的一篇論文，為本次芯片研發(fā)提供了一定的理論支持。

圖 | 張柏樂（來源：NTU 官網(wǎng)）

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”，和硬盤中的“TB”一樣，都是數(shù)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）范圍內的電磁波，其介于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(fā)的太赫茲芯片，不僅可以傳輸太赫茲波，還能產(chǎn)生每秒 11 Gbit 的數(shù)據(jù)速率， 并能支持 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(fā)出來的太赫茲芯片，圖為張柏樂的博士后楊怡豪

這樣的成果，正好可以滿足大眾日益增高的數(shù)據(jù)傳輸速率要求。以 1G 和 5G 的對比為例，數(shù)據(jù)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，然后天線去跟基站連接，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征譜，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(fā)揮出作用。

因此近年來，業(yè)界對于太赫茲芯片的探索越來越多。而太赫茲芯片的優(yōu)點在于，可以把電子芯片的頻率，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(yōu)點的新型輻射源，其可以帶來誘人的技術創(chuàng)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，對于探索物質結構具有重要意義。

可應用在大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)中心、物聯(lián)網(wǎng)設備、大型多核計算芯片、遠程通信、大氣與環(huán)境監(jiān)測、實時生物信息提取與醫(yī)學診斷等領域。

以物聯(lián)網(wǎng)設備為例，這類設備需要處理大量數(shù)據(jù)，且要依賴通信網(wǎng)絡、來提供超高速和低延遲。這時使用太赫茲技術，就能促進芯片之間的通信，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，由于該技術可以快速傳輸數(shù)據(jù)，因此可以讓汽車更好地導航，并能幫助避免交通事故。

除自動駕駛以外，太赫茲芯片與拓撲設備的通信，可以打開通往每秒千兆位數(shù)據(jù)鏈路的途徑，這些鏈路能支持 AI 技術和云計算技術，屆時還可用于醫(yī)療保健、精密制造和全息通信（如微軟 HoloLens 頭顯）等。

此外，太赫茲芯片并不限于人們常知的手機芯片和車載芯片，在未來 6G 替換 5G 的過程中，所有芯片都可以被替換。而這一過程正是太赫茲通訊，其可以廣泛應用于下一代通信當中。

太赫茲芯片的制作材料和制作步驟

制作材料：光子拓撲絕緣體是重要組成部分

太赫茲芯片的主要組成部分，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(shù)學分支，其主要研究幾何圖形或空間、在連續(xù)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，并且不受缺陷、雜質和各種干擾的影響，通信速度也可以得到提高。

這種對干擾的免疫性稱，稱之為“拓撲保護”，該研究一開始來源于凝聚態(tài)物理，并且產(chǎn)生了革命性的影響，現(xiàn)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。

通過使用當前的硅制造工藝設計和生產(chǎn)小型化平臺，NTU 的太赫茲芯片將很容易集成到電子和光子電路設計中，并將有助于將來太赫茲的廣泛采用。

制作步驟：設計三角孔小硅芯片是關鍵

據(jù)張柏樂介紹，不同于光芯片需要從 0 到 1 開始做，太赫茲芯在制備上可以借鑒硅芯片的技術。

2020 年初，張柏樂的博士后楊怡豪，帶領 NTU 和日本大阪大學的團隊，在《自然 · 光子學》發(fā)表一篇題為《太赫茲拓撲光子學用于片上通信》（Terahertz topological photonics for on-chip communication）的論文。該論文提到，太赫茲芯片在 5G 和 6G 方面有著巨大潛力，然而要想實現(xiàn)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(guī)方法制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(tài)”光子拓撲絕緣體為基礎，通過全硅芯片上的尖銳彎折實驗，證明了太赫茲拓撲谷傳輸?shù)膹姶竽芰Α?

具體來說，谷狀（valley states）由于具有魯棒性、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(jīng)發(fā)現(xiàn)了“谷態(tài)”光子拓撲絕緣體的奇特物理特性，并在微波波段首次實驗驗證了“拓撲保護”現(xiàn)象。

利用上述狀態(tài)，研究團隊進一步在太赫茲波段，實現(xiàn)了“谷態(tài)”光子拓撲絕緣體，并成功演示出在太赫茲芯片上的無差錯通信，并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硅芯片，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”，最終讓太赫茲芯片實現(xiàn)無差錯地傳輸信號，還能讓太赫茲芯片對此前硅芯片可能出現(xiàn)的任何制造缺陷免疫，就像“打了疫苗一樣”。

圖 | 用三角孔來實現(xiàn) “拓撲保護”（來源：Nature Photonics ）

是實現(xiàn) 6G 的關鍵技術，比 5G 快 10 到 100 倍

本次 NTU 太赫茲芯片的誕生，標志著人類在太赫茲光譜區(qū)域，首次實現(xiàn)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。

對于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。

此前他曾憑借隱身衣的成果，入選 TR35，后又成為第一位中國 TED 研究員，并參加 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?？萍?，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芯片，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(fā)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(fā)出太赫茲頻段的射頻芯片。

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(fā)布首款國產(chǎn)太赫茲成像芯片，該芯片可對人體進行成像，主要應用于安檢領域。

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(tǒng)市場將達 4.15 億美元。而張柏樂和楊怡豪等行業(yè)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。