Image: Nanyang Technological University/Osaka University/Nature Photonics
An artist's representation of the silicon chip. The orange wavy line represents terahertz rays, which travel topologically protected in the interface between the two different sets of triangular holes. On the right, data is encoded into transmitted terahertz rays. On the left, data is received from the terahertz rays in applications involving wireless communication.

一項新的研究發現，一種被稱為光子拓撲絕緣體的新材料有朝一日可以幫助太赫茲波以每秒一萬億比特的前所未有的速度在芯片上傳輸數據。

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6G無線網絡的關鍵。有了這些網絡，工程師們的目標是以每秒兆比特（萬億比特）的速度傳輸數據。

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

新加坡南洋理工大學（Nanyang technology University）光子學研究員、這項新研究的合著者Ranjan Singh說：“人工智能和基于云的應用需要將大量數據傳輸到一個超高速、低延遲的互聯設備。舉個例子，一種使用人工智能來做決定的自動車輛，為了提高決策任務的效率，人工智能傳感器需要以超高速接收相鄰車輛的數據，才能實時執行這些動作。”

傳統的太赫茲波導容易受到制造缺陷的影響，并且在急彎處會有相當大的信號損耗。現在，研究人員發現新興的拓撲光子學領域可能有助于解決這些問題。

拓撲學是數學的一個分支，它探索形狀的哪些特征可以在變形中存活下來。例如，一個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沒有孔的形狀，而不把它撕開。

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

最近，科學家們設計了光子拓撲絕緣體，在絕緣體中，光子同樣受到“拓撲保護”。這些材料在其結構中具有規則的變化，導致特定波長的光在其內部流動而不發生散射或損耗，甚至在拐角處和缺陷處也是如此。

先前關于光子拓撲絕緣體的研究主要集中在微波和光學頻率上。現在研究人員說，他們首次在實驗上實現了太赫茲波的拓撲保護。

科學家們制造了一塊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。進入該芯片的光沿著不同孔組之間的接口進行拓撲保護。

Photos: Nanyang Technological University/Osaka University/Nature Photonics
An 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.

在實驗中，研究人員發現，即使在10個尖角（包括5個120度轉彎和5個60度轉彎）附近，太赫茲波也能平穩地行進，幾乎沒有損失。他們在0.335太赫茲的頻率下實現了每秒11千兆比特的數據傳輸速率，比特錯誤率小于1萬億分之一。他們還表示，可以通過芯片以每秒6千兆比特的速度在這10個急彎處實時傳輸未壓縮的4K高清視頻。

先前的研究通過太赫茲波和光子晶體（結構的特征比設計用來處理的波長小）達到了每秒1.5千兆比特的數據速率。新工作中的光子拓撲絕緣體不僅顯示出更高的數據傳輸速率，而且傳統光子晶體在彎曲處會出現巨大的信號損耗，而在新材料中這種損耗可以忽略不計。日本大阪大學（Osaka University）的合著者和光子學研究員Masayuki Fujita說：“在設計片上多路復用器和分路器時，考慮到器件的小型化，這一點非常重要。”

研究人員指出，有很多方法可以提高他們的設置的數據速率，以達到每秒萬億比特的速度，盡管他們還沒有在實驗中證明這些速率。這些技術包括使用更高的頻率、更多的帶寬和更復雜的數據編碼方案。

研究人員于4月13日在《自然光子學》雜志上詳細介紹了他們的發現。