等离子体调制器可以打破无线太赫兹障碍

  现代电信基础设施依赖于广泛的技术。但具有讽刺意味的是，其中一些技术没办法轻松相互通信。

  例如，用于无线通信的电信号不能仅仅被推入构成现代网络主干的光纤基础设施中。相反，它们必须首先转换为 light （然后再次转换回来）。这项重要任务由称为电光 （EO）调制器的网络组件执行。

  “你拥有的所有信息都在电气领域，但一旦它离开你的房子，它就会进入光纤。因此，您需要能够以极快的速度从电信号编码到光学世界信号的组件。这就是调制器的用武之地，“瑞士苏黎世联邦理工学院ETH Zurich信息技术和电气工程系主任Juerg Leuthold说。

  电信提供商希望下一代6G网络可提供高达每秒 1TB的无线速度，甚至有可能更高。但是，这些快速无线网络仍然需要与有线光纤基础设施连接。这在某种程度上预示着电光调制器要升级，否则它们就非常有可能成为瓶颈。

  Leuthold 是苏黎世联邦理工学院和瑞士Polariton Technologies的研究人员最近发表的一篇论文的合著者，该论文展示了一种频率高达 1.14太赫兹的等离子体EO 调制器。它还以 3 GHz 的频率提供 997 分贝的 EO 带宽。更简单地说，调制器可以在信号发生显著衰减之前处理高达近 1 太赫兹的信号。

  这与当今常用的调制器相比是一个很大的飞跃。大多数基于铌酸锂（LiNbO₃）、砷化铟镓（InGaAs） 和最近的硅等材料。使用这一些材料的调制器通常具有频率响应，当频率达到 60 至 100 GHz 时，频率响应会降低。等离子体EO 调节剂实现了大约 10 倍的改进。

  传统的调制器通常依赖于普克尔斯效应，该效应描述了施加的电场如何改变非线性晶体材料的折射率。折射率的变化会改变穿过材料的光，从而能够将电信号写入光信号。

  等离子体调制器仍然使用普克尔斯效果，但直接照射到调制器中的光会发生变换。“我们获取光子，即红色光子，将其转化为等离激元，等离激元沿着金属表面传播，”Leuthold 解释说。

  等离激元是金属中电子振荡的量子，它们具有有用的特性。当与电磁场耦合时，它们会形成表面等离激元，可以将能量集中到小于光波长的体积中。这些等离子体波在金属结构中传播。

  等离子体调制器通过在金上切割仅 100 纳米宽的微小槽来利用这一点。槽中填充有有机电光材料，能改变光的折射率。在这些槽中，光信号（由等离激元携带）和电信号相互作用，将电信号写入光信号。

  由于槽非常小，因此电场增强了 35,000 倍。这允许电信号和光信号之间的交互更强。

  频率高达 1 THz 的等离子体 EO 调制器的演示是苏黎世联邦理工学院长达十年的等离子体调制器创新中的最新一项。

  包括 Leuthold 在内的苏黎世联邦理工学院研究人员在 2015年发表了一篇关于使用等离激元进行电光对话的论文，当时预测它可以允许高达 1 THz 的频率。他们现在已经证明这种可能性成为现实。

  Polariton 目前提供频率高达 145 GHz 的硅和等离子体 EO 调制器。Baeuerle 表示，该企业具有“小批量的工程样品”，频率高达 1 THz。

  虽然尚未为6G网络设定标准，但预计它们将使用太赫兹频率来提供可能飙升至 1 TB 以上的数据速率。如果将这些高速网络付诸实践，传统的 EO 调制器（如前所述，最高频率约为 100 GHz）将成为瓶颈。

  该技术在也占有一席之地。为AI构建的数据中心通常具有通过内部光纤网络连接的GPU集群。而且，就像任何其他光纤网络一样，需要一个电光调制器来将电信号转换为光（或返回）。Polariton 产生调制器和收发器（在两个方向上转换信号）。

  “我们的电光调制器是面向需要高速和紧凑集成的数据中心AI集群的下一代收发器的解决方案，”Baeuerle 说。他指出，高速收发器，包括“下一代”3.2T（每秒太比特）收发器，将把电光带宽推向新的高度。

  如此高的数据速率似乎很奇怪，而且需要明确的是，6G 仍然面临重大障碍。即便如此，等离子体 EO 调制器和收发器等进步为更快、更可靠的电信奠定了基础。