南洋理工大学张柏乐研发出新型拓扑保护高速太赫兹互连芯片

“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。