新加坡、法国和美国的研究人员借鉴拓扑光子学的理念，设计出一种能够处理信息丰富的太赫兹信号的紧凑型天线。由圣母大学的兰詹·辛格（Ranjan Singh）领导的研究团队在《自然·光子学》（ Nature Photonics ）杂志上发表了他们的研究成果。他们表示，经过进一步改进，这种设计有望成为未来第六代（6G）无线网络的基础，从而实现前所未有的数据传输速度。

为什么6G需要太赫兹天线？

在不久的将来，6G网络有望实现每秒约1太比特的数据传输速率——相当于在一秒钟内传输一部中端智能手机大约一半的存储空间。要达到这样的速度，无线系统需要运行在太赫兹频率上，远高于目前5G网络使用的频率。

然而，在能够可靠地使用太赫兹频率之前，发射和接收这些信号的天线还需要进行重大改进。

在以往的无线技术中，性能提升通常来自构建更大的天线阵列或引入机械结构复杂的主动控制组件。虽然这些方法有效，但也增加了成本、复杂性和故障风险。如果不从根本上重新思考太赫兹频率下的数据传输方式，这些问题可能会使6G的部署变得既困难又不切实际。

借鉴拓扑光子学的概念

为了应对这一挑战，辛格的团队转向了拓扑光子学——该领域研究的是能够迫使光沿着特定路径传播的人工结构。通过精心设计材料图案，研究人员可以制造出紧凑的器件，即使在经过急转弯时，也能保护传播的电磁波免受散射和缺陷的影响。

为了利用这些效应，该团队设计了一种硅芯片，上面布满了两种不同尺寸的三角形孔阵列——直径分别为99微米或264微米。

研究人员通过以特定图案排列大小不一的孔洞，可以控制太赫兹辐射是继续在芯片内部流动，还是以精确设定的角度泄漏出去。这种可控的泄漏会产生一个锥形的、携带信息的太赫兹信号，使该结构变成一个天线。

被动式设计的广泛覆盖范围

由于太赫兹辐射会从天线的不同位置泄漏出来，因此它能够提供水平和垂直方向的覆盖。作为发射器使用时，它可以覆盖周围三维空间约75%的范围——是许多现有太赫兹天线覆盖范围的30多倍。

反之，同样的结构也可以作为接收器，捕获类似宽范围内的入射太赫兹信号，并将其路由到芯片上。在这些演示中，该天线的数据速率比其他最先进的太赫兹设备所达到的速率高出数百倍。

至关重要的是，所有这一切都可以通过完全被动且相对简单的设计来实现，控制功能直接内置于芯片的几何结构中，而不是依赖外部移动部件。这可以降低运营成本，同时显著降低机械故障的风险。

基于这些成果，辛格的团队现在致力于探索如何将太赫兹通信系统的所有要素——包括发射、接收和信号处理——集成到单个芯片上。如果实现，这些进展将使我们离可靠的6G网络更近一步，使其能够像当今网络处理低频数据一样无缝地处理太赫兹信号。