等離子體調(diào)制器可以打破無線太赫茲障礙

現(xiàn)代電信基礎(chǔ)設(shè)施依賴于廣泛的技術(shù)。但具有諷刺意味的是，其中一些技術(shù)無法輕松相互通信。

例如，用于無線通信的電信號不能僅僅被推入構(gòu)成現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)主干的光纖基礎(chǔ)設(shè)施中。相反，它們必須首先轉(zhuǎn)換為 light （然后再次轉(zhuǎn)換回來）。這項重要任務(wù)由稱為電光 （EO） 調(diào)制器的網(wǎng)絡(luò)組件執(zhí)行。

“你擁有的所有信息都在電氣領(lǐng)域，但一旦它離開你的房子，它就會進(jìn)入光纖。因此，您需要能夠以極快的速度從電信號編碼到光學(xué)世界信號的組件。這就是調(diào)制器的用武之地，“瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院 ETH Zurich 信息技術(shù)和電氣工程系主任 Juerg Leuthold 說。

電信提供商希望下一代 6G 網(wǎng)絡(luò)能夠提供高達(dá)每秒 1 TB 的無線速度，甚至可能更高。但是，這些快速無線網(wǎng)絡(luò)仍然需要與有線光纖基礎(chǔ)設(shè)施連接。這意味著電光調(diào)制器需要升級，否則它們就有可能成為瓶頸。

等離子體 EO 調(diào)節(jié)劑突破

Leuthold 是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和瑞士 Polariton Technologies 的研究人員最近發(fā)表的一篇論文的合著者，該論文展示了一種頻率高達(dá) 1.14 太赫茲的等離子體 EO 調(diào)制器。它還以 3 GHz 的頻率提供 997 分貝的 EO 帶寬。更簡單地說，調(diào)制器可以在信號發(fā)生顯著衰減之前處理高達(dá)近 1 太赫茲的信號。

這與當(dāng)今常用的調(diào)制器相比是一個很大的飛躍。大多數(shù)基于鈮酸鋰 （LiNbO?）、砷化銦鎵 （InGaAs） 和最近的硅等材料。使用這些材料的調(diào)制器通常具有頻率響應(yīng)，當(dāng)頻率達(dá)到 60 至 100 GHz 時，頻率響應(yīng)會降低。等離子體 EO 調(diào)節(jié)劑實現(xiàn)了大約 10 倍的改進(jìn)。

正如您所料，等離子體 EO 調(diào)制器的工作原理與其前輩略有不同。

傳統(tǒng)的調(diào)制器通常依賴于普克爾斯效應(yīng)，該效應(yīng)描述了施加的電場如何改變非線性晶體材料的折射率。折射率的變化會改變穿過材料的光，從而可以將電信號寫入光信號。

等離子體調(diào)制器仍然使用普克爾斯效果，但直接照射到調(diào)制器中的光會發(fā)生變換?！拔覀儷@取光子，即紅色光子，將其轉(zhuǎn)化為等離激元，等離激元沿著金屬表面?zhèn)鞑?，”Leuthold 解釋說。

等離激元是金屬中電子振蕩的量子，它們具有有用的特性。當(dāng)與電磁場耦合時，它們會形成表面等離激元，可以將能量集中到小于光波長的體積中。這些等離子體波在金屬結(jié)構(gòu)中傳播。

等離子體調(diào)制器通過在金上切割僅 100 納米寬的微小槽來利用這一點(diǎn)。槽中填充有有機(jī)電光材料，可以改變光的折射率。在這些槽中，光信號（由等離激元攜帶）和電信號相互作用，將電信號寫入光信號。

由于槽非常小，因此電場增強(qiáng)了 35,000 倍。這允許電信號和光信號之間的交互更強(qiáng)。

等離子體調(diào)節(jié)劑的商業(yè)化

頻率高達(dá) 1 THz 的等離子體 EO 調(diào)制器的演示是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院長達(dá)十年的等離子體調(diào)制器創(chuàng)新中的最新一項。

包括 Leuthold 在內(nèi)的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員在 2015 年發(fā)表了一篇關(guān)于使用等離激元進(jìn)行電光對話的論文，當(dāng)時預(yù)測它可以允許高達(dá) 1 THz 的頻率。他們現(xiàn)在已經(jīng)證明這種可能性成為現(xiàn)實。

Polariton 正在將等離子體調(diào)節(jié)劑商業(yè)化。Polariton 于 2019 年從蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院分拆出來，由三位前博士生共同創(chuàng)立，他們?yōu)橹暗难芯孔龀隽素暙I(xiàn)：Wolfgang Heni、Benedikt Baeuerle 和 Claudia Hoessbacher。

Polariton 目前提供頻率高達(dá) 145 GHz 的硅和等離子體 EO 調(diào)制器。Baeuerle 表示，該公司擁有“小批量的工程樣品”，頻率高達(dá) 1 THz。

如果下一代 6G 電信網(wǎng)絡(luò)希望實現(xiàn)崇高的承諾，就需要這樣的調(diào)制器。

雖然尚未為 6G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，但預(yù)計它們將使用太赫茲頻率來提供可能飆升至 1 TB 以上的數(shù)據(jù)速率。如果將這些高速網(wǎng)絡(luò)付諸實踐，傳統(tǒng)的 EO 調(diào)制器（如前所述，最高頻率約為 100 GHz）將成為瓶頸。

該技術(shù)在 AI 數(shù)據(jù)中心也占有一席之地。為 AI 構(gòu)建的數(shù)據(jù)中心通常具有通過內(nèi)部光纖網(wǎng)絡(luò)連接的 GPU 集群。而且，就像任何其他光纖網(wǎng)絡(luò)一樣，需要一個電光調(diào)制器來將電信號轉(zhuǎn)換為光（或返回）。Polariton 產(chǎn)生調(diào)制器和收發(fā)器（在兩個方向上轉(zhuǎn)換信號）。

“我們的電光調(diào)制器是面向需要高速和緊湊集成的數(shù)據(jù)中心和 AI 集群的下一代收發(fā)器的解決方案，”Baeuerle 說。他指出，高速收發(fā)器，包括“下一代”3.2T（每秒太比特）收發(fā)器，將把電光帶寬推向新的高度。

如此高的數(shù)據(jù)速率似乎很奇怪，而且需要明確的是，6G 仍然面臨重大障礙。即便如此，等離子體 EO 調(diào)制器和收發(fā)器等進(jìn)步為更快、更可靠的電信奠定了基礎(chǔ)。

“我們已經(jīng)為無線領(lǐng)域的下一代做好了準(zhǔn)備，”Leuthold 說。