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有了石墨烯 未来我们可以用光搭建无线网络

时间:2017-07-24 09:39:08

 年轻的时候,我很迷恋电子学。无数次,电路没有像预期一样工作,失败让我学到一点:想告诉电子做什么简直就是徒劳。尽管如此,搭建电子控制相控阵天线时我的兴趣达到了最高点。简单来讲,稍微对时间进行调整,无数小天线生成的信号就可以射向特定方向,不需要移动硬件。

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没错,我的装置的确管用,虽然没有预料的那样好。不论怎样,相控阵天线之所以让我兴奋,主要是因为通过对一系列独立发射器的相位和振幅进行独立控制,我们可以塑造辐射方向图。看起来真的很酷。后来,我进入了光学领域,控制独立激光器的相位与振幅,将它们组组合成单一、可操纵的激光束……从技术上讲完全可以做到,但在理想与实际部署之间有许多障碍。

最近,研究人员已经证实,相位控制在装置中是可以实现的,装置比控制的光线波长还要小。这是一个关键的进步,我们朝着没有光纤的高容量光通信技术前进了一大步。有了这种技术,5G之后的移动通信、家庭Wi-Fi不会再卡了。

有多难?

控制大量发射器的振幅与相位听起来很简单。不妨想像一下,你要在Wi-Fi中达成目标。Wi-Fi源的频率是5GHz,也就是说它的波长是6cm。再让我们假设一下,有16根天线,按4x4排列。如果我想控制每一根天线单元的相位,就要确保每一条波束有同样的长度(也就是波长的二十分之一:3mm)。要做到还是相对容易的。

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要控制相位与振幅,接下来还有一件重要的事要做:你要调高或者调低天线单元的功率,在电路上安一些可变电容器,让每一个天线单元实现可变延迟。听起来简单,我想告诉你,英国卫星广播公司(British Satellite Broadcasting)的相控阵天线是假的,由此可以看出,相控阵天线绝非什么容易的技术。

现在让我们进入光学领域。我们可以选择相对容易的路走,继续使用红外线,它的波长大约是10μm(微米)。这样一来,4x4阵列波束需要的长度大约是500nm(纳米)。看起来可行,但是要记住:如果使用光,重要的不只是波长,还有其它东西。如果波束波长只有40μm,那么波束的折射率变化幅度不能超过1%。波束越长,折射率必须更接近。当波长越来越短,或者发射器的距离越来越远,要达到制造容差的要求也就变得越来越有挑战。

总之:搭建光相控阵天线是可行的,在控制严密的实验室环境下,我们可以在常态环境中就可以做到;但是并不容易。如果想改变每一个阵列单元光束的相位和振幅,现在还无法做到。

移相器

改变光场的相位是相当容易的事,只需要让光跑远一点抵达目的地或者跑慢一点就行了。要做到有两种方法:一,从物理上拉伸光传输的路径,二,光会穿过材料,我们可以改变材料的折射率。后一种方法用得更多,但大多的材料只允许你对折射率进细微的调整。换言之,如果有什么装置可以控制光相位的变化,装置必须很长:如果折射率的变化幅度很小,你只能延长距离让相位改变。在整个长度上必须保持统一。

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有一个方法更好:大幅调整折射率。为了达到目标,光需要对电子形成强有力的反应。也就是说我们要用到导体,比如铝或者金。可惜的是光穿过金属时会反射,或者被吸收。

只有一种情况例外,那就是光与金属中的电子结合,形成表面等离子体。在这种情况下,光与电子运动结合在一起,形成缓慢移动的波,它会沿着金属表面前进。如果你想计算一下折射率,根据传播速度的不同,折射率可以达到100(玻璃为1.3,大多数材料介于1-5)。

等离子体的移动有一个关键:它的传播速度与移动的电子数量关切密切。

石墨烯帮上大忙

石墨烯就是单层碳原子排成蜂窝结构。因为存在上述挑战,石墨烯可以发挥作用。石墨烯是导体,可以支持表面等离子体传播。不过石墨烯并不是金属,它实际上是一种半导体,像硅一样。石墨烯与硅有一个不同的地方,那就是自由移动的电子与受到原子限制的电子之间的能隙;石墨烯的能隙基本上等于零,而硅约为1伏特。当我们将电场应用于石墨烯,额外能量会让更多的电子变成导电状态,这样就可以提高等离子体的移动速度。

要让效果完全发挥出来,石墨烯不能受到外部世界的打扰。如果你只是在任意旧表面上覆盖一层石墨烯,表面等离子体会幅射到表面内,然后逃离出去。这样一来,你想调节相位,但是找不到可以调节的东西。研究的关键正在于此:科学家找到了一种惰性基片(氮化硼),我们可以用基片将石墨烯封装。成功将石墨烯装进氮化硼后,研究人员就可以生成表面等离子体,在移相装置的整个长度上传输时损耗很小。

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最终结果显示,装置的长度约为600nm,但是折射率介于80-160,允许入射光场移动一个完全的周期(也就是相位调整360度)。

因为装置的“心脏”是石墨烯,光必须拥有更长的波长才能形成等离子体,所以我们这里说的是红外光,不是可见光。自由空间中的光波波长比整个移相装置长10倍,真是酷极了。

你可能会感到奇怪,既然装置连一个波长都不到,你如何完成360度相位转移呢?答案是这样的:装置中的波长是等离子体的波长,而等离子体的波长更短,所以你可以将多个波长放进移相器。因为折射率接近100,波长也就会减少100。这样一来,整个装置的长度就会比等离子体的有效波长长很多。

与天线有什么关系?

我是从相控阵天线谈起的,通过调节每一个天线单元,我们可以对幅射的相位和振幅进行调节,从而控制幅射图的形状和方向。就目前而言,我们已经开发出有效的移相器,至少在红外领域做到了。装置并不笨重,相对比较强大。这是不是说红外相控阵天线即将出现?

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我想说“是的”,它已经出现在实验室中。在移动领域,5G允许我们调节天线幅射的形状,对方向进行控制,这样一来,在移动设备与固定天线之间就可以建立高容量连接。这是一个明显的信号,它告诉我们高容量连接需要对波束进行一定的控制。

多年来,研究人员一直在考虑用自由空间光信号实现高容量数据连接。为了达成目标,我们要对多个激光束进行动态控制。如何做呢?你需要多元光天线,需要控制每一个发射器的相位与振幅。正因如此,这种技术不是无线的下一代,而是下一代的下一代技术。



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