一种片上紧凑型天线显著提升数据传输速率

据最新一期《自然·光子学》杂志报道，来自新加坡、法国和美国的科研团队借鉴拓扑光子学理念，设计出一种片上紧凑型天线。其能利用芯片微结构实现高效辐射，处理信息密度极高的太赫兹信号，显著提升数据传输速率，为未来6G无线通信提供重要基础。

未来的6G网络预计可实现每秒1太比特的数据速率，这相当于在1秒内传输一部中端智能手机约一半的存储容量。要达到这样的速度，无线系统必须在远高于当前5G的太赫兹频段运行，但相关天线技术仍存在效率、覆盖范围和可靠性方面的挑战。

以往无线通信的性能提升，往往依赖扩大天线阵列规模或采用机械结构实现主动波束转向。虽然有效，但这类方案也会增加成本、系统复杂度及故障风险。研究团队认为，若不从电磁波传播方式本身进行改进，6G在太赫兹频段的实际部署可能面临困难。

为此，研究团队引入拓扑光子学概念，通过人工结构设计，使光或电磁波沿“受保护”的路径传播，即便遇到缺陷或急转弯也能保持稳定。

团队设计了一种硅芯片，其表面打孔形成阵列，包含两种尺寸的三角形孔洞，边长分别为99微米和264微米。通过精确排列不同尺寸孔洞，可控制太赫兹辐射是在芯片内部传播，还是以特定角度向外泄漏辐射，从而形成锥形辐射束，使芯片本身成为天线。

当太赫兹辐射沿天线不同位置泄漏辐射时，可同时实现水平和垂直方向的覆盖。覆盖范围比许多现有太赫兹天线高出30倍以上。同时，该结构也可作为接收端，在类似宽广的角度范围内捕获进入的太赫兹信号，并将其导入芯片内部。

实验结果显示，该天线实现的数据传输速率比当前最先进的太赫兹器件高出数百倍。值得注意的是，所有功能均通过被动结构实现，控制机制直接嵌入芯片几何设计之中，无需额外的机械运动部件或复杂的主动控制系统，这有望显著降低运行成本并提高可靠性。

下一步团队计划探索将太赫兹通信系统的发射、接收和信号处理功能全部集成到单一芯片中。如果这一目标实现，未来6G网络或可像现有低频通信一样高效处理太赫兹信号，为超高速无线通信奠定基础。