Nature | 太赫兹拓扑光芯片助力6G无线通信

王文昊 南洋理工大学

本文由论文作者团队投稿

图源：王文昊

导读

无线通信技术自20世纪80年代以来快速发展,目前已进入5G时代。太赫兹波(100 GHz – 10 THz)因其高频率和大带宽,被视为6G及未来无线通信的潜在关键技术。然而，太赫兹波易产生较大路径损耗，亟需高效的波束赋形技术。传统的太赫兹波束赋形方法包括采用电子或者光学有源相控阵、使用可重构的衍射结构、以及利用色散结构进行频率扫描等。然而，如何实现具有大带宽、低能量损耗、紧凑结构设计、以及大角度范围的高效太赫兹波束赋形一直是一项重大挑战。

近日，新加坡南洋理工大学、新加坡科技研究局以及法国里尔大学的研究人员合作提出了一种新的设计方法，利用拓扑谷光子晶体实现对片上太赫兹信号低损耗地导波、分束、以及通道隔离，并结合神经网络辅助逆向设计，将太赫兹信号定向地发射至自由空间，实现了具有任意太赫兹波束数量以及任意角度的360°全方位角波束赋形。此外，研究人员基于该拓扑波束形成器实现了具有72 Gbit/s传输速率的单个无线链路、40 Gbit/s传输速率的8个无线链路，并演示了实时高清视频无线传输。

该研究工作以“On-chip topological beamformer for multi-link terahertz 6G to XG wireless”为题发表在Nature。王文昊博士为论文第一作者，Ranjan Singh教授为通讯作者。此外，南洋理工大学Yi Ji Tan博士，Thomas CaiWei Tan博士和Abhishek Kumar博士，新加坡科技研究局Prakash Pitchappa博士，里尔大学Prakash Pitchappa博士和Guillaume Ducournau教授也对这项工作做出了重要贡献。

片上引导光、分裂光

拓扑物理学始于1980年德国物理学家Klaus von Klitzing等人的开创性工作，他们在实验上发现了整数量子霍尔效应。为了解释一系列量子霍尔效应的实验现象，人们第一次将拓扑这一数学概念运用到物理学中，并用拓扑不变量——陈数（Chern number）来描述量子态的拓扑性质。在此后四十余年，拓扑物理学蓬勃发展至今，并从最开始的凝聚态体系拓展到经典波体系，包括光学和声学等。

谷（Valley）是指能带中的局部最大或者最小值。拓扑谷光子学（Topological valley photonics）通过利用谷自由度来操纵光的传播，已成为设计低损耗和紧凑光子集成电路的强大范式。如图1左侧所示，谷光子晶体中所支持的拓扑边界态可以引导片上太赫兹信号沿着畴壁（domain wall，白色实线所示，其两侧是具有相反谷陈数的光子晶体）稳健地单向向前传播，即使在经过两个120°急转弯之后能量损耗也几乎可以忽略不计。

图1：太赫兹拓扑波导以及拓扑功分器

图源：Nature

将具有相反谷陈数的光子晶体设计在不同区域可以构建4通道功分器。如图1右侧所示，从通道1馈入的太赫兹信号会稳健地向右侧传播。由于谷锁定以及能流涡旋匹配，该太赫兹波在分支路口处分裂，并等功率地耦合到通道2和通道3，实现50/50功分器的功能。

以拓扑波导和功分器为基础元件，研究人员设计了具有16个通道的太赫兹拓扑波束形成器。如图2所示，当太赫兹信号通过左侧的锥体耦合器馈入到拓扑光芯片后，它会经过一个4级功分器均匀地耦合进16个波导通道中。芯片右侧的锥体耦合器阵列则作用为相控阵，定向地将片上太赫兹信号发射至自由空间。该太赫兹拓扑波束形成器的工作带宽高达26.5 GHz（图2右侧），并且其最大传输系数在输出锥体耦合器的数量增加到64个时仍保持在-0.96 dB。

图2：太赫兹拓扑波束形成器及其仿真的总传输系数

图源：Nature

神经网络辅助逆向设计赋能360°全方位角波束赋形

相控阵中辐射单元的相位分布决定了出射太赫兹波束的角度以及数量。为充分展示拓扑波束形成器的性能，研究人员通过神经网络辅助逆向设计，改变输出锥体耦合器阵列的相位分布，在16通道波束形成器中实现了具有1至8个且不同角度的太赫兹波束的波束赋形（图3），覆盖了91.8°方位角的空间范围。

图3：16通道拓扑波束形成器的远场辐射分布图 

图源：Nature

进一步地，研究人员将6个8通道波束形成器集成在一个硅芯片上（图4左侧）。该芯片紧凑集成了184个波导、54个功分器、以及136个锐利的转角，然而整个芯片的尺寸仅为3.5 × 3.2平方厘米，约等于34.7 × 37.9波长平方。每个波束形成器分支相隔60°方位角，且沿着各分支的相对0°方位角方向出射一个宽带太赫兹波束（图4右侧）。通过神经网络辅助逆向设计调整各个分支的输出锥体耦合器阵列的相位分布，可实现在360°全方位角范围内的任意数量以及任意角度的宽带波束赋形。

图4：360°全方位角拓扑波束形成器及其远场辐射分布图

图源：Nature

芯片间无线通信及8个40 Gbit/s无线链路

拓扑波束形成器因为其无源的构架，因此既可以发射也可以接收信号。研究人员利用一对16通道的拓扑波束形成器当作发射器以及接收器，实现了距离为30 cm的72 Gbit/s无线链路（图5左侧）。通过拓扑光芯片传输并接收的信号星座图非常接近参考信号（图5中间），这证明了无线链路的信号质量良好。利用具有8个辐射波束的拓扑波束形成器，研究人员进一步实现了同时具有40 Gbit/s且不同方位角的8个无线链路。

图5：芯片间无线通信及8个40 Gbit/s无线链路

图源：Nature

1对4实时高清视频无线传输

最后，为演示拓扑波束形成器的实际应用，研究人员利用这8个无线链路中的4个，演示了向4个方位角方向进行实时高清视频无线传输，见下方演示视频。

总结与展望

这项工作利用拓扑谷光子晶体强大的操纵光的能力，创新性地提出了一种宽带、低损耗、且具有360°全方位角覆盖范围的太赫兹波束形成器，这为实现高效、大规模的太赫兹波束赋形提供了一个理想的CMOS兼容的集成拓扑光子平台，助力实现传输速率超过1 Tbit/s = 1000 Gbit/s的6G及XG无线通信。

论文信息

Wang, W., Tan, Y.J., Tan, T.C. et al. On-chip topological beamformer for multi-link terahertz 6G to XG wireless. Nature 632, 522–527 (2024).

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07759-5