等離子體調制器可以打破無(wú)線(xiàn)太赫茲障礙

現代電信基礎設施依賴(lài)于廣泛的技術(shù)。但具有諷刺意味的是，其中一些技術(shù)無(wú)法輕松相互通信。

例如，用于無(wú)線(xiàn)通信的電信號不能僅僅被推入構成現代網(wǎng)絡(luò )主干的光纖基礎設施中。相反，它們必須首先轉換為 light （然后再次轉換回來(lái)）。這項重要任務(wù)由稱(chēng)為電光 （EO） 調制器的網(wǎng)絡(luò )組件執行。

“你擁有的所有信息都在電氣領(lǐng)域，但一旦它離開(kāi)你的房子，它就會(huì )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(shuō)。

電信提供商希望下一代 6G 網(wǎng)絡(luò )能夠提供高達每秒 1 TB 的無(wú)線(xiàn)速度，甚至可能更高。但是，這些快速無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )仍然需要與有線(xiàn)光纖基礎設施連接。這意味著(zhù)電光調制器需要升級，否則它們就有可能成為瓶頸。

等離子體 EO 調節劑突破

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(zhù)者，該論文展示了一種頻率高達 1.14 太赫茲的等離子體 EO 調制器。它還以 3 GHz 的頻率提供 997 分貝的 EO 帶寬。更簡(jiǎn)單地說(shuō)，調制器可以在信號發(fā)生顯著(zhù)衰減之前處理高達近 1 太赫茲的信號。

這與當今常用的調制器相比是一個(gè)很大的飛躍。大多數基于鈮酸鋰 （LiNbO?）、砷化銦鎵 （InGaAs） 和最近的硅等材料。使用這些材料的調制器通常具有頻率響應，當頻率達到 60 至 100 GHz 時(shí)，頻率響應會(huì )降低。等離子體 EO 調節劑實(shí)現了大約 10 倍的改進(jìn)。

正如您所料，等離子體 EO 調制器的工作原理與其前輩略有不同。

傳統的調制器通常依賴(lài)于普克爾斯效應，該效應描述了施加的電場(chǎng)如何改變非線(xiàn)性晶體材料的折射率。折射率的變化會(huì )改變穿過(guò)材料的光，從而可以將電信號寫(xiě)入光信號。

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

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

等離子體調制器通過(guò)在金上切割僅 100 納米寬的微小槽來(lái)利用這一點(diǎn)。槽中填充有有機電光材料，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(xiě)入光信號。

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

等離子體調節劑的商業(yè)化

頻率高達 1 THz 的等離子體 EO 調制器的演示是蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院長(cháng)達十年的等離子體調制器創(chuàng )新中的最新一項。

包括 Leuthold 在內的蘇黎世聯(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(huà)的論文，當時(shí)預測它可以允許高達 1 THz 的頻率。他們現在已經(jīng)證明這種可能性成為現實(shí)。

Polariton 正在將等離子體調節劑商業(yè)化。Polariton 于 2019 年從蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院分拆出來(lái)，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：Wolfgang Heni、Benedikt Baeuerle 和 Claudia Hoessbacher。

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

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

雖然尚未為 6G 網(wǎng)絡(luò )設定標準，但預計它們將使用太赫茲頻率來(lái)提供可能飆升至 1 TB 以上的數據速率。如果將這些高速網(wǎng)絡(luò )付諸實(shí)踐，傳統的 EO 調制器（如前所述，最高頻率約為 100 GHz）將成為瓶頸。

該技術(shù)在 AI 數據中心也占有一席之地。為 AI 構建的數據中心通常具有通過(guò)內部光纖網(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(gè)電光調制器來(lái)將電信號轉換為光（或返回）。Polariton 產(chǎn)生調制器和收發(fā)器（在兩個(gè)方向上轉換信號）。

“我們的電光調制器是面向需要高速和緊湊集成的數據中心和 AI 集群的下一代收發(fā)器的解決方案，”Baeuerle 說(shuō)。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。

如此高的數據速率似乎很奇怪，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。

“我們已經(jīng)為無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域的下一代做好了準備，”Leuthold 說(shuō)。