来源：中国光学

    导读

    太赫兹频段（0.1–10 THz）承载着下一代无线通信对超大带宽与极低时延的核心愿景，是未来6G及下一代无线通信的核心频谱资源。要将这段频谱转化为真正的无线连接能力，关键在于高性能的片上太赫兹天线。漏波天线是一种沿导波结构连续辐射电磁波的天线，其波束指向随频率变化，无需复杂的移相器馈电网络即可实现无机械转动的空间扫描。然而，传统片上漏波天线的波束覆盖范围长期局限于二维平面或上半空间，难以实现全三维空间覆盖。如何在单个芯片上同时实现低损耗波导传输与全空间高增益辐射，是该领域尚未解决的关键难题。

    近日，来自新加坡、美国以及法国的合作团队报道了一种基于拓扑能谷光子晶体的片上漏波天线，通过将“辐射”与“导波”两种拓扑边界态集成于单个硅基平台，实现了对75%全三维空间的波束扫描，并验证了传输速率为72 Gbps的频分复用多路无线链路与双向双通道实时高清视频传输。相关研究成果以“On-chip topological leaky-wave antenna for full-space terahertz wireless connectivity”为题发表于Nature Photonics。新加坡南洋理工大学王文昊博士（现任西湖大学助理教授）为论文第一作者，美国圣母大学Ranjan Singh教授为通讯作者。此外，新加坡南洋理工大学Yi Ji Tan博士（现任新加坡-麻省理工学院科研中心博士后）以及法国里尔大学Pascal博士和Guillaume教授也对这项工作做出了重要贡献。

    一、从“抑制辐射”到“驾驭辐射”

    近年来，拓扑能谷光子晶体利用能谷自由度操纵光的传播，已成为设计低损耗、紧凑型光子芯片的重要平台。其核心优势在于将边界态调控至光锥线以下，从而实现对辐射损耗的完全抑制，保障片上光传输的鲁棒性与低损耗。然而，本研究工作打破这一惯例，将传统被视为“损耗”的面外辐射用于高定向无线传输，所提出的太赫兹拓扑天线同时支持两种拓扑边界态：“导波”模式，色散曲线严格束缚于光锥之下，能量完全局域于芯片内部，如图1所示；“辐射”模式，色散曲线延伸至光锥以内，太赫兹波沿片上向前传播的同时持续向自由空间辐射能量，呈现圆锥状波前。更重要的是，这两类边界态分别存在于不同的拓扑畴壁，但是通过60°锐角转弯可实现近乎无损的模式转换。研究进一步揭示了这种锥形辐射源于“辐射”拓扑边界态在动量空间中进入光锥内部的线型泄漏。

图1：“辐射”与“导波”拓扑波导
图源：Nature Photonics

    二、75%全三维空间覆盖

    研究团队通过导波拓扑波导将三条辐射拓扑波导以互成120°方位角的分岔结构集成于单个硅芯片（图2），构建“三分支拓扑漏波天线”。每一条分支均为独立的漏波天线，其辐射极角随频率连续调谐，实测扫描极角范围覆盖20°至80°及100°至160°，最大增益达15 dBi。通过三分支天线协同工作，最终实现75%三维空间的波束覆盖。相较于现有方案，本工作将“全空间覆盖”从理论愿景推进至实验现实。

图2：具有75%全三维空间覆盖率的太赫兹拓扑漏波天线
图源：Nature Photonics

    三、72 Gbps通信速率的三通道无线链路

    利用漏波天线固有的色散特性，研究团队在单分支拓扑漏波天线上实现频分多路复用。三路独立载频（310 GHz、325 GHz、335 GHz）的太赫兹信号经由同一芯片辐射至空间中的三个方向（图3），实现三路信号的空间解复用。单个无线链路的最高传输速率达28 Gbps，三路总传输速率达72 Gbps。

图3：频分复用三通道无线链路
图源：Nature Photonics

    四、双向双通道实时视频传输

    本研究进一步展示了拓扑漏波天线在系统集成层面的独特潜力。基于该芯片的时间反演特性，研究团队实现同一芯片同时扮演接收机与发射机角色：通道1以310 GHz载频从自由空间捕获实时高清视频流，信号在芯片内反向传播并经导波端口输出解码；通道2同时以335 GHz载频将24 Gbps数据流正向辐射至自由空间。两路信号完全独立、互不干扰，实现了双向双通道无线链路

    五、总结与展望

    本工作将漏波辐射机制引入太赫兹拓扑芯片设计，实现导波与辐射两种拓扑边界态在同一芯片平台的功能融合。它不仅刷新了片上漏波天线的三维空间覆盖范围、验证了双向双通道无线通信，更提供了一种以拓扑能带工程替代复杂相控阵架构的颠覆性思路。该平台有望进一步与CMOS工艺兼容，并向太赫兹感知与成像、室内太赫兹Wi-Fi等场景延伸。

    论文信息

    Wenhao Wang, Yi Ji Tan, Pascal Szriftgiser, Guillaume Ducournau, Ranjan Singh. "On-chip topological leaky-wave antenna for full-space terahertz wireless connectivity". Nature Photonics, 2026: 1-7.
https://doi.org/10.1038/s41566-025-01825-8