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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

發布時間:2020-8-19     来源:胡巍巍 DeepTech深科技

“比起光芯片,太赫茲芯片可直接複用矽芯片的技術,前景十分可觀●!


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。


對此,張柏樂解釋稱:“以百乐宫娱乐官网每天都用的手機爲例,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征譜,因此太赫茲波可作爲診斷媒介,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。


這主要是因爲,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。


以物聯網設備爲例,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爲例,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,並能幫助避免交通事故。


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。


具體到光子拓撲絕緣體來說,它可以非?煽康貍鲗Ч庑盘枺瑏K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,稱之爲“拓撲保護”,該研究一開始來源于凝聚態物理,並且産生了革命性的影響,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。


制作步驟:設計三角孔小矽芯片是關鍵


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。


爲解決上述難題,研究團隊以“谷態”光子拓撲絕緣體爲基礎,通過全矽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。


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。


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?萍迹撬非蟮氖隆


全球都在爲太赫茲技術“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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