太赫兹拓扑绝缘体：突破未来片上无线通信的壁垒

《IEEE Communications Standards Magazine》：Terahertz Topological Insulators: Breaking Barriers for Future On-Chip Wireless Communication

本文针对6G及后世代通信中太赫兹(THz)片上互联面临的散射损耗、弯曲信号劣化等挑战，系统探讨了光子拓扑绝缘体(PTI)的创新应用。研究通过设计量子谷霍尔(QVH)等拓扑相，实现了背散射免疫、低损耗的THz波传输，并演示了拓扑波导、解复用器及光束成形器等核心器件，支持11 Gbit/s数据传输与4K视频实时流。该工作为高能效、可扩展的片上网络(NoC)架构奠定了理论基础与实验基石，对下一代无线通信与计算集成具有里程碑意义。

　　

在第六代移动通信（6G）和更远未来（XG）网络的蓝图里，太赫兹（THz）无线技术被寄予厚望，它承诺提供超高速率、亚毫秒级延迟和高容量连接。然而，当这项技术从宏大的无线网络场景缩小到微小的芯片尺度时，却遭遇了严峻的挑战。传统的片上互联方式，如铜线和普通光波导，在太赫兹频段显得力不从心，信号会因散射、吸收以及在芯片布局中不可避免的尖锐弯折处而严重衰减，这成为了实现高性能、高密度芯片架构的瓶颈。

正是在这一背景下，一项源自凝聚态物理的前沿概念——拓扑绝缘体（TI）——为光子学领域带来了革命性的思路。想象一下，有一种材料，其内部是绝缘的，但它的边缘却能无比顺畅地传导电流或光波，并且这种传导能力受到一种称为“拓扑不变性”的深层物理规律的保护，即使边缘存在缺陷、不规则或者急弯，传导也不会被中断。将这一原理应用于太赫兹频段的光子器件，就诞生了光子拓扑绝缘体（PTI）。PTI能够支持拓扑保护边缘态（TPES），实现背散射免疫、低损耗的太赫兹波传输，这为解决片上通信的固有问题提供了全新的解决方案。

本文发表于《IEEE Communications Standards Magazine》，由萨里大学的Maryam Khodadadi、Gabriele Gradoni和Mohsen Khalily（通讯作者）共同撰写。研究人员系统回顾了太赫兹拓扑光子学的最新进展，重点分析了不同PTI类别（如量子霍尔QH、量子自旋霍尔QSH、Floquet和量子谷霍尔QVH）在太赫兹集成中的优劣，并展示了其在构建稳健路由、非互易器件、可重构光束成形以及片上传感等方面的巨大潜力。他们的工作表明，PTI技术有望催生可扩展、高能效且超可靠的太赫兹片上网络（NoC），为6G及后世代通信、量子计算和人工智能硬件奠定基础。

为验证PTI在太赫兹通信中的潜力，研究人员综合运用了几项关键技术：基于硅兼容的谷光子晶体（VPC） 构建拓扑波导，通过打破结构反演对称性诱导拓扑相变；利用光学泵浦（例如447 nm激光） 实现拓扑器件（如解复用器和开关）的主动、快速调谐；采用神经网络（NN）辅助逆向设计 优化拓扑光束成形器的辐射性能；通过场可编程门阵列（FPGA）控制的可重构超表面 实现拓扑传播路径的动态编程。这些方法共同支撑了对拓扑态的有效操控和功能实现。

稳健拓扑路由、解复用与延时控制集成

研究人员通过设计VPC，在全硅芯片上实现了太赫兹拓扑谷传输。如图2所示，在具有不同拓扑数的畴壁之间形成了局域的谷极化拓扑扭结态。

该拓扑波导在体带隙内支持传输，即使经过十个零曲率半径的尖锐弯折，仍能保持近乎无损的传输（每个弯折损耗<0.1 dB）和信号完整性，实现了误码率低于10^-11的无差错通信、高达11 Gbit/s的数据速率以及实时4K视频流传输。为解决单一拓扑边缘态带宽有限的问题，研究者提出了多带拓扑边缘态策略，并通过光泵浦硅基VPC波导，实现了主动可调谐的片上拓扑解复用器（DEMUX）。如图3所示，该器件在0.3316 THz和0.344 THz双信道工作时，能有效隔离载波调制信号，显著降低串扰，支持40 Gbit/s数据传输和实时高清视频流。

非互易无磁拓扑环形器与隔离器

传统基于磁光效应的非互易器件在太赫兹频段面临弱响应、高功耗和集成困难等挑战。PTI提供了一种无磁替代方案。研究团队实验演示了一种基于双各向异性元波导的光子系统，该体系可同时模拟QH和QSH拓扑绝缘相。通过设计复合QH-QSH结构，验证了其支持无反射边缘模的能力，并据此开发了双端口隔离器、三端口器件和四端口环形器等非互易器件，为太赫兹信号路由和隔离提供了稳健且可扩展的解决方案。

拓扑光束成形与集成天线

高效的片上太赫兹光束成形对于补偿路径损耗和提升频谱效率至关重要。Wang等人（图4）展示了一种基于VPC波导相控阵的片上多链路太赫兹拓扑光束成形器。

该设计利用谷边缘态实现了精确的360°方位角光束成形，各辐射信道间串扰极小。通过神经网络辅助逆向设计优化，获得了20 dBi的峰值增益。通过光泵浦硅芯片实现了可重构波束切换，演示了72 Gbit/s、距离300毫米的芯片间太赫兹通信，以及八路同步40 Gbit/s链路，其中四路支持点对多点设置下的实时未压缩高清视频流。

拓扑网络重构

为实现太赫兹片上网络的自适应路由和实时流量管理，动态可重构性至关重要。You等人（图5）提出了一种超快可编程拓扑绝缘体平台。

该系统基于六边形金属元件阵列，每个单元由六个电调PIN二极管控制，通过打破空间反演对称性产生可调拓扑带隙，模拟QVH效应。FPGA控制器对每个单元进行独立二进制编码，实现了光传播路径的精确、超快速控制，为主动太赫兹电路奠定了基础。

拓扑开关与功率分配

Liu实验演示了一种工作于0.27-0.29 THz的太赫兹拓扑开关（图6）。

该器件基于高阻硅衬底上的VPC，通过外部447 nm连续激光动态控制太赫兹波，在240 mW/mm²泵浦光强下实现了19 dB的开/关比和60 kHz的3 dB开关带宽。此外，利用光的自旋或谷自由度，拓扑波导可实现紧凑的功率分配器设计，通过精确的畴壁工程实现选择性、稳健的光传输。

拓扑传感与调制

PTI在太赫兹传感方面展现出高精度潜力，例如用于介电薄膜厚度测量和生物分子识别。然而，在不破坏拓扑态的前提下动态调制PTI器件仍是一个挑战。集成微流控的片上太赫兹生物传感平台是未来医疗诊断的重要方向。PTI的高品质因数拓扑波导腔为痕量检测和环境监测（如植物组织水合作用评估）提供了新途径。

拓扑量子信息处理与通信

太赫兹PTI为量子计算中的退相干和量子误差等难题提供了有前景的解决方案。其背散射免疫、低损耗的波传输特性对于高保真度量子比特操控、误差容忍量子门和稳定量子态传输至关重要。拓扑保护的量子纠缠分发和PTI基可重构开关、分束器有助于实现可扩展的量子互联，推动大规模量子架构发展。

部署挑战与考量

PTI系统的实际部署需考虑电磁兼容性（EMC）、热管理、功耗和成本效益。TPES有助于抑制串扰，热管理策略包括集成高热导率通孔、散热器、微流冷却通道和热优化布局。PTI的被动低损耗路由特性支持皮焦耳每比特的低能耗传输，且其与标准CMOS工艺的兼容性确保了大规模制造的成本效益。

太赫兹拓扑系统的未来展望

将模拟计算集成到太赫兹拓扑系统中，有望利用拓扑模式的连续性和鲁棒性，高速、高能效地解决积分、微分和卷积等数学问题，并克服模拟计算对制造误差的敏感性。发展基于拓扑态的存内计算有助于打破冯·诺依曼瓶颈。针对人工智能（AI）和机器学习（ML）应用设计专用太赫兹硬件，结合ML算法优化拓扑平台，将推动高性能波计算和AI加速的发展。PTI技术还有望助力新一代拓扑量子处理器的规模化和控制。

结论

太赫兹光子拓扑绝缘体（PTI）通过实现背散射免疫、低损耗的波传播，为克服传统太赫兹系统的物理和功能限制带来了变革性进展。其独特的特性，如自旋-动量锁定、可编程边缘模和CMOS兼容性，为6G及后世代通信所必需的可扩展、高能效、可重构的片上互联提供了关键使能技术。PTI在模拟信号处理、存内计算和量子信息平台等领域的潜力，预示着其在未来计算、传感和通信技术中的基础性作用。随着制造技术和可重构架构的成熟，PTI必将成为实现高容量、自适应和智能太赫兹技术的核心。