一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，一種被稱為光子拓?fù)浣^緣體的新材料有朝一日可以幫助太赫茲波以每秒一萬(wàn)億比特的前所未有的速度在芯片上傳輸數(shù)據(jù)。

太赫茲波在電磁頻譜上介于光波和微波之間。太赫茲波的頻率從0.1太赫茲到10太赫茲不等，可能是未來(lái)6G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。有了這些網(wǎng)絡(luò)，工程師們的目標(biāo)是以每秒兆比特（萬(wàn)億比特）的速度傳輸數(shù)據(jù)。

這種數(shù)據(jù)鏈路還可以極大地促進(jìn)芯片內(nèi)和芯片間的通信，以支持人工智能（AI）和基于云的技術(shù)，如自主駕駛。

新加坡南洋理工大學(xué)（Nanyang technology University）光子學(xué)研究員、這項(xiàng)新研究的合著者Ranjan Singh說(shuō)：“人工智能和基于云的應(yīng)用需要將大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)超高速、低延遲的互聯(lián)設(shè)備。舉個(gè)例子，一種使用人工智能來(lái)做決定的自動(dòng)車輛，為了提高決策任務(wù)的效率，人工智能傳感器需要以超高速接收相鄰車輛的數(shù)據(jù)，才能實(shí)時(shí)執(zhí)行這些動(dòng)作。”

傳統(tǒng)的太赫茲波導(dǎo)容易受到制造缺陷的影響，并且在急彎處會(huì)有相當(dāng)大的信號(hào)損耗?，F(xiàn)在，研究人員發(fā)現(xiàn)新興的拓?fù)涔庾訉W(xué)領(lǐng)域可能有助于解決這些問(wèn)題。

拓?fù)鋵W(xué)是數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，它探索形狀的哪些特征可以在變形中存活下來(lái)。例如，一個(gè)形狀像甜甜圈的物體可以被推拉成杯子的形狀，甜甜圈的孔形成杯子把手上的孔，但它不能變形成一個(gè)沒(méi)有孔的形狀，而不把它撕開(kāi)。

Image： Nanyang Technological University/Osaka University/Nature PhotonicsAn optical image of the silicon chip. The white dashed line represents the interface between the two different sets of triangular holes.

最近，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了光子拓?fù)浣^緣體，在絕緣體中，光子同樣受到“拓?fù)浔Ｗo(hù)”。這些材料在其結(jié)構(gòu)中具有規(guī)則的變化，導(dǎo)致特定波長(zhǎng)的光在其內(nèi)部流動(dòng)而不發(fā)生散射或損耗，甚至在拐角處和缺陷處也是如此。

先前關(guān)于光子拓?fù)浣^緣體的研究主要集中在微波和光學(xué)頻率上。現(xiàn)在研究人員說(shuō)，他們首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了太赫茲波的拓?fù)浔Ｗo(hù)。

科學(xué)家們制造了一塊190微米厚、8毫米乘26毫米的硅片。他們用一排排大小在84.9微米到157.6微米之間的三角形孔穿孔，較小的三角形指向較大的三角形的相反方向。這些孔排成一排，所有較大的三角形都向上或向下。進(jìn)入該芯片的光沿著不同孔組之間的接口進(jìn)行拓?fù)浔Ｗo(hù)。

Photos： Nanyang Technological University/Osaka University/Nature PhotonicsAn experimental demonstration of uncompressed 4K high-definition video transmission using the new chip （right）。 The transmitted 4K high-definition video is shown on the monitor in the background. The terahertz-signal transmitter is on the left side; the receiver is on the right side.

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)，即使在10個(gè)尖角（包括5個(gè)120度轉(zhuǎn)彎和5個(gè)60度轉(zhuǎn)彎）附近，太赫茲波也能平穩(wěn)地行進(jìn)，幾乎沒(méi)有損失。他們?cè)?.335太赫茲的頻率下實(shí)現(xiàn)了每秒11千兆比特的數(shù)據(jù)傳輸速率，比特錯(cuò)誤率小于1萬(wàn)億分之一。他們還表示，可以通過(guò)芯片以每秒6千兆比特的速度在這10個(gè)急彎處實(shí)時(shí)傳輸未壓縮的4K高清視頻。

先前的研究通過(guò)太赫茲波和光子晶體（結(jié)構(gòu)的特征比設(shè)計(jì)用來(lái)處理的波長(zhǎng)?。┻_(dá)到了每秒1.5千兆比特的數(shù)據(jù)速率。新工作中的光子拓?fù)浣^緣體不僅顯示出更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而且傳統(tǒng)光子晶體在彎曲處會(huì)出現(xiàn)巨大的信號(hào)損耗，而在新材料中這種損耗可以忽略不計(jì)。日本大阪大學(xué)（Osaka University）的合著者和光子學(xué)研究員Masayuki Fujita說(shuō)：“在設(shè)計(jì)片上多路復(fù)用器和分路器時(shí)，考慮到器件的小型化，這一點(diǎn)非常重要。”

研究人員指出，有很多方法可以提高他們的設(shè)置的數(shù)據(jù)速率，以達(dá)到每秒萬(wàn)億比特的速度，盡管他們還沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)中證明這些速率。這些技術(shù)包括使用更高的頻率、更多的帶寬和更復(fù)雜的數(shù)據(jù)編碼方案。

研究人員于4月13日在《自然光子學(xué)》雜志上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。
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