南洋理工大学研发超5G无线芯片

编者按

为了实现并超过5G(第五代移动通信技术)电信标准的数据传输速度，南洋理工大学和日本大阪大学的科学家开发出一种应用光子拓扑绝缘体（Photonic Topological Insulators，缩写：PTI）的概念构建的新芯片。

太赫兹波的概念及应用难题

来源：Nature Photonics

研究人员最近在《自然光子学》（Nature Photonics）上发表的研究表明，他们的芯片可以传输太赫兹（THz）波，同时可以产生每秒11吉比特（Gbit/s）的数据速率，能够支持4K高清视频的实时流传输，超过了迄今为止5G无线通信10 Gbit/s的理论上限。

太赫兹波是电磁波频谱的一部分，介于红外光波和微波之间，被评价为下一代高速无线通信的前沿领域。

太赫兹波波谱， 来源：RF技术社区

但是，在将太赫兹波被应用于通信之前，需要解决最大的两个问题是存在于传统波导（如晶体或中空电缆）过程中的材料缺陷和传输错误率。

光子拓扑绝缘体的应用

使用光子拓扑绝缘体可以解决以上这些问题，该技术允许在绝缘体的表面和边缘上传导光波，犹如在铁路上行驶的火车，而不是穿过材料。

NTU研究人员展示研究成果， 来源：NTU官网

当光沿着光子拓扑绝缘体传播时，可以将其重定向到尖角附近，并且其流将不会受到材料缺陷的干扰。

通过设计一个带有成排三角形孔的小型硅芯片，使小三角形指向与大三角形相反的方向，光波将得到“拓扑保护”。

“拓扑保护”原理， 来源：Nature Photonics

相图及拓扑谷折弯在畴壁的状态，来源：Nature Photonics

超高速太赫兹无线芯片

NTU联合大阪大学应用光子拓扑绝缘体设计的这款全硅芯片，证明了它可以无误传输信号，同时以每秒11吉比特的速率绕10个尖角传送太赫兹波，从而绕过了硅制造过程中可能引入的任何材料缺陷。

研究人员表示，这是太赫兹光谱区域首次实现光子拓扑绝缘体，这证明了先前的理论概念在现实生活中是可行的。

研究人员展示无线芯片， 来源：NTU官网

他们的发现可能为更多的光子拓扑绝缘体太赫兹互连集成到无线通信设备中铺平道路，从而为下一代“6G”通信提供前所未有的每秒TB的速度（比5G还要快10到100倍）。

无限芯片结构， 来源：NTU官网

太赫兹互联技术的潜在应用领域将包括数据中心，物联网设备，大型多核计算芯片和远程通信，包括电信和Wi-Fi等无线通信。

研究人员解释说，“随着第四次工业革命和物联网设备的发展，包括智能设备、远程摄像头和传感器的应用，物联网设备需要无线处理大量数据，并依靠通信网络来提供超高速和低延迟。”

研究人员相信，通过使用当前的硅制造工艺设计和生产小型化平台，他们的新型高速太赫兹互连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。

参考文献：

1. "NTU Singapore and Osaka University scientists build ultra-high-speed Terahertz wireless chip" NTU Media Release

2. "Terahertz topological photonics for on-chip communication" Nature Photonics