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專題論述

浙江青年學者造出超高速太赫茲無線芯片,是實現 6G 的關鍵技術
信息來源:胡巍巍 DeepTech深科技 上傳日期:2020-08-19 點擊率:492次

“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 發表的一篇論文,為本次芯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”,和硬盤中的“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)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的太赫茲芯片,不僅可以傳輸太赫茲波,還能產生每秒 11 Gbit 的數據速率, 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揮出作用。


因此近年來,業界對于太赫茲芯片的探索越來越多。而太赫茲芯片的優點在于,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,對于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、大型多核計算芯片、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據,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據鏈路的途徑,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,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物理,并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。


通過使用當前的硅制造工藝設計和生產小型化平臺,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”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的強大能力。


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,研究團隊就已經發現了“谷態”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,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 “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 太赫茲芯片的誕生,標志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,就已發布首款國產太赫茲成像芯片,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。

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