基于非晶态拓扑光子晶体的片上太赫兹任意弯曲互连技术研究

为解决传统太赫兹(THz)光子晶体(PC)波导受限于晶格对称性、无法实现任意角度弯曲的难题，研究人员通过设计非晶态谷霍尔光子晶体(VPC)，在硅基芯片上实现了具有拓扑保护的任意形状波导。该研究突破了传统VPC仅支持60°/120°弯曲的限制，通过分子动力学模拟构建短程有序的非周期结构，在0.32-0.341 THz频段实现近零反射(

　　

在6G通信和生物成像等领域，太赫兹(THz)频段展现出巨大潜力，但传统金属波导存在体积大、损耗高等瓶颈。硅基光子晶体(PC)虽能实现低损耗传输，却面临尖锐弯曲导致带宽骤降的困境。谷霍尔光子晶体(VPC)因其拓扑保护特性可解决此问题，但传统VPC受晶格对称性约束，仅支持60°或120°弯曲，严重限制器件集成自由度。

为解决这一挑战，研究人员创新性地提出非晶态VPC设计方案。通过分子动力学模拟器(LAMMPS)构建短程有序的三角形空气孔阵列，在保持局部石墨烯构型的同时打破长程周期性。这种变形结构保留谷陈数(valley Chern number)差异产生的拓扑保护，首次实现70°、90°、105°等多角度弯曲及复杂"P"形波导。实验测得0.32-0.341 THz频段传输效率接近unity，反射低于?20 dB，并通过QAM-16调制实现72 Gbps高速通信。

关键技术包括：1) 采用高阻硅(>10 kΩ·cm)刻蚀三角形空气孔阵列；2) 分子动力学辅助非晶格设计；3) 矢量网络分析仪(VNA)和UTC-PD(uni-traveling carrier photodiode)测试系统；4) 三维全波电磁仿真(COMSOL/CST)。

研究结果揭示：

1. 任意形状波导特性：通过交换三角形孔尺寸(l₁
   =0.65a₀
   /l₂
   =0.35a₀
   )构建拓扑相变界面，在242.5 μm周期下实现90°弯曲波导，其群延迟在带隙内保持稳定，场强分布∣H_z
   ∣²
   显示能量局域于畴壁。

2. 多角度传输性能：70°与105°弯曲波导分别呈现21 GHz和15 GHz带宽，相较传统线缺陷波导损耗降低20 dB。P形结构因加工误差导致额外9 dB损耗，但仿真预示优化后仅4.6 dB劣化。

3. 功能器件应用：四端口路由器通过调控耦合长度(L)与间距(D)，在0.327-0.334 THz将输入信号分流至垂直端口(传输比>?6 dB)，其他频段信号直通(抑制比

该研究突破晶体对称性对拓扑光子器件的束缚，首次将非晶态材料与谷拓扑效应结合，为太赫兹芯片提供"任意互连+功能集成"一体化解决方案。其创新性体现在：1) 通过短程有序维持拓扑保护，拓展设计自由度；2) 全硅工艺兼容CMOS技术；3) 实验验证复杂路径传输可行性。这项工作被《SCIENCE ADVANCES》收录，不仅推动THz拓扑光子学发展，也为声子晶体、量子光学等领域的非周期拓扑系统研究提供新范式。