Light: Sci & Appl. | 子阵列栅控HEMT超表面:太赫兹波前同时实现高速调制与物理层逻辑

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前言

在6G通信、智能感知、边缘计算加速融合的今天,科学家们正在寻找一种能够"边感知、边计算、边通信"的新型硬件平台。而太赫兹波,作为尚未被充分开发的频谱资源,正成为这场变革的主战场。

近日,一篇发表于国际顶级期刊《Light:Science&Applications》的研究论文,向我们展示了一种全新的解决方案(https://doi.org/10.1038/s41377-026-02255-z)。

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核心内容

研究团队设计并制造了一种可编程的太赫兹超表面芯片,其核心创新在于:

采用子阵列(subarray)作为最小控制单元,而不是单个像素,大大降低了控制复杂度;

每个子阵列集成AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT),通过电压调控二维电子气(2DEG)密度,进而控制太赫兹波的透过率;

支持两种工作模式:

1.光学逻辑运算:通过不同子阵列的组合编码,实现AND、OR、XNOR等布尔逻辑;

2.PAM-4高阶调制:将四个子阵列分为两组,叠加产生四个清晰的幅度电平,实现四电平脉冲幅度调制。

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研究意义

这项研究的意义不仅在于技术指标的提升,更在于架构层面的突破:

1.首次在同一硬件上融合光学逻辑与高阶调制

过去,逻辑运算依赖后端数字电路,高阶调制依赖专用调制器。而本工作将两者统一在同一个可编程超表面前端中,为物理层智能处理打开了空间。

2.子阵列架构兼顾性能与复杂度

相比像素级控制,子阵列大幅降低了布线与时序压力;相比全局控制,它又保留了空间组合能力。这种工程折中,具有更强的实用性和可扩展性。

3.为6G ISCC提供真实硬件基础

6G的核心愿景之一是通信-感知-计算一体化。本工作证明:太赫兹超表面不仅可以被动调控波前,还能主动参与决策与编码,是实现智能边缘节点的重要一步。

4.指出了清晰的演进路径

文章指出,当前2×2子阵列可扩展至N×N阵列,理论上支持PAM-8甚至更高阶调制,但需要解决非线性压缩和寄生参数问题。查表线性化、数字预失真、异构集成是未来优化的关键方向。

图1:用于光学逻辑与PAM-4调制的子阵列栅控可编程太赫兹超表面

图2:器件设计及其宽带调制特性

图3:子阵列组合特性与传输调制

图4:可编程光学布尔运算

图5:220GHz准光链路与实时调制测量

【注】小编水平有限,若有误,请联系修改;若侵权,请联系删除!

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