Med hjälp av idéer lånade från topologisk fotonik har forskare i Singapore, Frankrike och USA konstruerat en kompakt antenn som kan hantera informationsrika terahertz-signaler (THz).
I en rapport om resultaten i Nature Photonics säger teamet, ledt av Ranjan Singh vid University of Notre Dame, att konstruktionen med ytterligare förbättringar skulle kunna ligga till grund för framtida sjätte generationens (6G) trådlösa nätverk, vilket skulle möjliggöra dataöverföring i oöverträffad hastighet.
Varför 6G behöver terahertz-antenner
I en inte alltför avlägsen framtid förväntas 6G-nätverk möjliggöra datahastigheter på omkring en terabit per sekund – vilket motsvarar ungefär hälften av lagringskapaciteten hos en mellanklass-smartphone på en enda sekund. För att uppnå sådana hastigheter måste trådlösa system fungera på terahertz-frekvenser, som är mycket högre än de som används av dagens 5G-nätverk.
Innan THz-frekvenser kan användas på ett tillförlitligt sätt krävs dock stora förbättringar av de antenner som sänder och tar emot dessa signaler.
I tidigare generationer av trådlös teknik har prestandaförbättringar ofta uppnåtts genom att bygga större antennarrayer eller införa mekaniskt komplexa, aktivt styrda komponenter. Dessa metoder är visserligen effektiva, men ökar kostnaderna, komplexiteten och risken för fel. Utan en grundläggande omprövning av hur data hanteras vid THz-frekvenser kan dessa problem göra det både svårt och opraktiskt att implementera 6G.
Låna koncept från topologisk fotonik
För att ta itu med denna utmaning vände sig Singhs team till topologisk fotonik – ett område som studerar artificiella strukturer som tvingar ljus att färdas längs skyddade banor. Genom att noggrant mönstra material kan forskare skapa kompakta enheter där rörliga elektromagnetiska vågor skyddas mot spridning och defekter, även när de navigerar i skarpa hörn.
För att utnyttja dessa effekter designade teamet ett kiselchip perforerat med en rad triangulära hål i två olika storlekar – antingen 99 eller 264 mikrometer i diameter.
Genom att ordna de mindre och större hålen i specifika mönster kunde forskarna kontrollera om THz-strålningen fortsatte att flöda inuti chipet eller istället läckte ut i en exakt definierad vinkel. Denna kontrollerade läckage producerar en kon av utgående, informationsbärande THz-signaler, vilket förvandlar strukturen till en antenn.
Bred täckning från en passiv design
Eftersom THz-strålningen läcker ut vid olika punkter längs antennen ger den både horisontell och vertikal täckning. När den fungerar som sändare kan den nå cirka 75 % av det tredimensionella utrymmet som omger den – mer än 30 gånger täckningen för många befintliga THz-antenner.
Omvänt kan samma struktur också fungera som mottagare, som fångar upp inkommande THz-signaler över ett liknande brett område och dirigerar dem till chipet.
Under dessa demonstrationer upprätthöll antennen datahastigheter som var hundratals gånger högre än de som uppnåddes av andra toppmoderna THz-enheter.
Det viktigaste är att allt detta kunde uppnås med en helt passiv och relativt enkel design, med styrning inbyggd direkt i chipets geometri istället för delegerad till externa rörliga delar. Detta skulle kunna sänka driftskostnaderna och samtidigt dramatiskt minska risken för mekaniska fel.
Mot helt integrerade 6G-terahertz-chip
Med utgångspunkt i dessa resultat strävar Singhs team nu efter att undersöka hur alla delar av ett THz-kommunikationssystem – inklusive sändning, mottagning och signalbehandling – kan integreras på ett enda chip. Om detta uppnås kan dessa framsteg föra oss ett steg närmare tillförlitliga 6G-nätverk som hanterar THz-signaler lika smidigt som dagens nätverk hanterar data med lägre frekvens.
Publiceringsinformation
Wenhao Wang et al, On-chip topological leaky-wave antenna for full-space terahertz wireless connectivity, Nature Photonics (2026). DOI: 10.1038/s41566-025-01825-8
