第六代移動通信網絡（6G）有望借助太赫茲頻段實現每秒太比特級的傳輸速率。然而，要利用太赫茲頻譜，通常需要復雜的器件設計來建立多條高速連接。如今有研究表明，先進的拓撲材料或能最終實現這類高速連接。研究人員研制的這款實驗性器件，實際已實現每秒 72 吉比特的傳輸速率，信號覆蓋范圍可達其周邊三維空間的 75% 以上。

美國印第安納州南本德市圣母大學電氣工程學教授 Ranjan Singh 表示：“這款器件能實現超高數據傳輸速率，無需移動部件即可實現廣域覆蓋，支持多鏈路同時連接與雙向通信，同時還能將信號損耗控制在較低水平。而目前的解決方案通常一次只能實現其中一兩項特性，且往往依賴復雜的天線陣列或機械波束調向技術。”

拓撲學作為研究物體在形變過程中保持某些固有屬性的數學分支，其原理揭示，光線可在特殊結構的材料中沿受保護的路徑傳播，且不易發生散射和受缺陷影響。在這款太赫茲天線中，研究人員對拓撲保護機制進行了工程化設計，使信號能以可控的三維模式向外輻射。

漏波天線的工作原理

在這項新研究中，研究人員并未完全抑制信號泄漏，而是對芯片進行了特殊設計，讓芯片內部傳播的部分太赫茲輻射得以向外泄漏。這款 “漏波天線” 的拓撲設計確保了信號能無顯著損耗、無畸變地順暢傳播，有效提升了帶寬與數據傳輸速率。

同時，光線在微芯片內部的傳播特性決定了，其泄漏時會以錐形向外輻射，既能實現水平覆蓋，也能完成垂直覆蓋，使天線的信號覆蓋范圍達到周邊三維空間的 75%。

Ranjan Singh 指出：“此前多數太赫茲系統只能通過增加設計復雜度、采用大型天線陣列、機械波束調向或高度定制化元器件來實現相關功能。而本研究的創新之處在于，無需提升系統復雜度，就能同時實現廣域覆蓋、高速傳輸與多鏈路連接能力。”

這款硅基芯片上布滿了成排的三角形孔洞，部分孔洞寬度為 264 微米，其余則為 99 微米。根據這些大小三角形孔洞的排列方式，太赫茲輻射可選擇在芯片內部傳播，或向外泄漏。

與此前最先進的非拓撲太赫茲天線相比，這款新型器件的三維空間覆蓋范圍提升了 30 倍，數據傳輸速率更是提高了約 275 倍。

Ranjan Singh 表示：“廣闊的空間覆蓋范圍讓無線連接更具靈活性和穩定性，即便設備發生移動或對接精度不足，也能保障通信質量。”

此外，這款新型微芯片可同時充當接收器和發射器，使信號能沿同一路徑雙向順暢傳播，且互不干擾。

Ranjan Singh 稱：“此前的技術理論上也能實現類似的雙向通信，但需要極為復雜的設計和嚴格控制的實驗環境。這種高復雜度讓其在實際場景中的演示驗證變得極具挑戰性。而我們通過簡化底層設計，讓雙向、多鏈路通信不僅在理論上可行，更能在實際中落地。”

從實驗室走向實際應用

實驗數據顯示，這款天線的輻射效率高達 90% 至 100%—— 這意味著，芯片內傳播的幾乎所有太赫茲信號，都會以精準可控的模式向外泄漏。如此高的效率轉化為了實際應用能力：該系統可同時傳輸無壓縮高清視頻，同時還能維持一條速率為 24 吉比特 / 秒的高速無線數據鏈路。

Ranjan Singh 設想，短期內基于該技術的太赫茲無線網絡（TeraFi），能為家庭、辦公場所和數據中心提供遠超當前標準的傳輸速率。他表示：“該技術的信號可同時向多個方向傳播，這一特性使其‘非常適用于需要同時建立多條穩定連接的場景，包括汽車、工廠和機器人平臺’。”

展望未來，Ranjan Singh 認為傳感領域將成為太赫茲技術的重要新應用方向。“該技術還能實現太赫茲傳感與成像，包括太赫茲探測與測距技術（TeDAR）—— 這是一種高分辨率傳感手段，能精準探測目標物體、距離和形狀。這為自動駕駛系統、智能基礎設施和工業監測領域開辟了潛在應用場景，這些領域均對高速通信和精準傳感有著雙重高要求。”

不過，長期以來，太赫茲技術始終難以從實驗室走向實際應用。Ranjan Singh 表示：“我們的技術路線有所不同。我們將波束控制能力直接集成到了芯片結構中，而非依賴易受影響的外部元器件。這讓系統本身具備了高穩定性和可擴展性 —— 它不再只是實驗室里的研究成果，更成為了太赫茲技術落地應用的可行路徑。”

接下來，研究團隊計劃將天線、信號源、探測器和信號處理模塊集成到單顆芯片上，打造完整的太赫茲系統。Ranjan Singh 還表示，團隊還將對多器件協同工作的網絡展開測試。