6G芯片，出现突破

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太赫兹波被认为是一种强大的工具，可以在潜在的 6G 网络中快速传输大量数据，并像 X 射线一样穿透固体物质——而且没有危险的电离辐射。然而，事实证明，将这些想法真正付诸实践非常困难。现在，一个研究小组表示，他们正在利用一种可以将强大的太赫兹波放在芯片上的设备，让太赫兹梦想更接近现实。

太赫兹波位于微波和远红外光之间电磁波谱中被忽视的部分，通常在 0.1 到 10 太赫兹的范围内。除了能够穿透许多材料之外，太赫兹波的频率比无线电波更高，这使得它们能够传输更多信息。太赫兹波的缺点是利用它们的物理条件具有挑战性。它们很快就会被空气中的水蒸气吸收，在铜等常用的电子材料中会损耗，而且产生这些频率的方法通常很大或只能以低功率产生它们。

由于硅和空气的介电常数不同，在芯片中产生太赫兹波时，这个问题就很明显了。介电常数是指材料集中电场的能力。当波遇到介电常数不同的材料边界时，一部分波会被反射，一部分会被透射。材料之间的对比度越大，反射越大。硅的介电常数为 11.9，远高于空气 (1)，因此，太赫兹波会在硅和空气的界面处反射。这会导致严重的信号损失。

一种解决方法是在芯片上放置硅透镜以增强辐射功率，使太赫兹信号传播得更远，但这些透镜价格昂贵，并且可能比芯片本身还要大。

利用图案化薄片增强太赫兹波

为了克服这一限制，麻省理工学院的研究人员采用了不同的方法。他们没有使用透镜，而是在芯片背面贴上一种特殊图案的薄片，以增强电磁波从硅到空气的传输。薄片上有许多孔，一部分是硅，一部分是空气，介电常数介于硅和空气之间，使大多数波可以透射而不是反射。研究人员实现了他们所说的比现有设备更高的辐射功率，而且没有使用硅透镜。

在 2 月底于旧金山举行的IEEE 国际固态电路会议上，该团队在论文和幻灯片中概述了太赫兹辐射器设备如何整合片上放大器-倍增器链阵列、倍增器和宽带蝴蝶结形槽线天线。所有这些加起来形成了一个可产生 232 至 260 千兆赫辐射的系统。

除了介电片之外，该芯片还采用了高功率英特尔晶体管，击穿电压为 6.3 伏，最大频率为 290 GHz，高于传统CMOS晶体管。该团队称，该芯片安装在一块 51 x 40 毫米的印刷电路板上，介电匹配片暴露在背面，测得的峰值辐射功率为 11.1 分贝毫瓦，高于 200 至 300 GHz 频段的同类设备。

麻省理工学院电气工程与计算机科学系研究生表示，介电片并不是一个新概念，但 CMOS 太赫兹源是其应用的理想场景。

该辐射器成本低，可大规模生产。潜在的应用领域包括高分辨率雷达成像、宽带无线传输和更好的医学成像。

“主要挑战是温度和电流密度管理。目前，电路在相对极端的条件下运行，这缩短了晶体管的寿命，”他说。

“此外，如果我们将系统规模扩大到大型 CMOS 阵列，热管理将成为一个关键问题，”他补充道。“这需要更精致的散热器和风扇设计。不过，我们预计这些挑战可以在未来两到四年内得到有效解决。”

加州大学洛杉矶分校电气与计算机工程学教授莫娜·贾拉希 (Mona Jarrahi)虽然未参与这项研究，但她称这是高频电子领域的“一项突破性成就”。

Jarrahi 表示：“这一显著进步不仅突破了太赫兹领域 CMOS 技术的极限，而且还实现了高输出功率、低成本和紧凑集成的空前组合。”

“将这种出色的性能扩展到更高的太赫兹频率仍然是许多研究人员正在应对的挑战。晶体管的截止频率、器件寄生和互连损耗等物理限制是更高频率操作的主要制约因素。”

https://spectrum.ieee.org/terahertz-waves

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