等离子体调制器可突破无线太赫兹壁垒应用于6G网络和人工智能数据中心

Johannes Grewer/Polariton Technologies

现代电信基础设施依赖多种技术。但具有讽刺意味的是，其中一些技术之间无法轻易实现通信。

例如，用于无线通信的电信号不能直接被塞入构成现代网络骨干的光纤基础设施中。相反，它们必须首先被转换为光信号，然后再转换回来。这个重要的任务是由一种名为电光（EO，electro-optic）调制器的网络组件来完成的。

“你所拥有的所有信息都在电信号领域，但一旦信息离开你所在的房屋，就会进入光纤。所以，你需要能够以极快速度将电信号编码为光信号的组件。这就是调制器的用武之地，”苏黎世联邦理工学院信息技术与电气工程系主任Juerg Leuthold说道。

电信供应商希望下一代6G网络将提供高达每秒1太比特甚至更高的无线速度。然而，这些快速的无线网络仍然需要与有线光纤基础设施相连接。这意味着电光调制器需要升级，否则它们就有成为瓶颈的风险。

等离子体电光调制器的突破

Leuthold是苏黎世联邦理工学院和瑞士Polariton Technologies公司的研究人员近期发表的一篇论文的合著者。该论文展示了一种等离子体电光调制器，其能够达到高达1.14太赫兹的频率，并且在997吉赫兹的频率下能提供3分贝的电光带宽。更简单地说，在信号出现明显衰减之前，该调制器能够处理接近1太赫兹的信号（https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-12-3-325&id=568565）。

这相对于现今普遍使用的调制器来说是一个巨大的飞跃。大多数调制器基于铌酸锂（LiNbO₃，lithium niobate）、砷化铟镓（InGaAs，indium gallium arsenide）以及近期的硅等材料。使用这些材料的调制器，当频率达到60到100吉赫兹时，其频率响应通常会下降。而等离子体电光调制器实现了大约10倍的性能提升。

正如你可能预期的那样，等离子体电光调制器的工作方式与其前身（之前的调制器）略有不同。

传统的调制器通常依赖于Pockels effect，该效应描述了外加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该材料的光，从而使得将电信号写入光信号成为可能。

等离子体调制器仍然使用Pockels effect，但进入调制器的光会发生转变。“我们获取光子，一个红色光子，将其转换为等离子体激元（plasmon），然后等离子体激元沿着金属表面传播，”Leuthold解释道。

等离子体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子体激元，能够将能量聚集到比光的波长还小的体积内。这些等离子体波在金属结构中传播。

等离子体调制器利用这一特性，在黄金上切割出仅100纳米宽的微小缝隙。这些缝隙中填充了一种有机电光材料，这种材料能够改变光的折射率。在这些缝隙内，光信号（由等离子体激元携带）和电信号相互作用，将电信号写入光信号。

由于这些缝隙非常小，电场可增强达35000倍。这使得电信号和光信号之间能够产生更强的相互作用。

等离子体调制器的商业化

能够达到1太赫兹频率的等离子体电光调制器的展示，是苏黎世联邦理工学院长达十年的一系列等离子体调制器创新中的最新成果。

包括Leuthold内的苏黎世联邦理工学院的研究人员在2015年发表了一篇关于利用等离子体激元进行电光转换的论文，当时他们预测这可实现高达1太赫兹的频率。现在他们已经证明这种可能性成为了现实（https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4710456/）。

等离子体调制器正在由Polariton公司进行商业化。Polariton公司于2019年从苏黎世联邦理工学院分拆出来，由三位曾参与前期研究的博士生联合创立：Wolfgang Heni、Benedikt Baeuerle和Claudia Hoessbacher。

Polariton公司目前提供可达到145吉赫兹的硅基和等离子体电光调制器。Baeuerle表示，该公司有“少量可用的工程样品”，其可达到1太赫兹。

如果下一代6G电信网络想要实现宏伟的预期目标，就需要这样的调制器。

虽然6G网络的标准尚未确定，但预计它们将使用太赫兹频率来实现可能远超1太比特的数据传输速率（https://ieeexplore.ieee.org/document/8732419）。如前所述，传统的电光调制器最高约100吉赫兹，如果这些高速网络投入使用，传统电光调制器将成为一个瓶颈。

该技术在人工智能数据中心也有用武之地。为人工智能构建的数据中心通常有通过内部光纤网络连接的图形处理器（GPU）集群。而且，就像任何其他光纤网络一样，需要电光调制器来将电信号转换为光信号或进行逆向转）。Polariton公司既生产调制器也生产收发器（收发器可进行双向信号转换）。

“我们的电光调制器是下一代数据中心和人工智能集群收发器的一种解决方案，这些收发器需要高速和紧凑的集成，”Baeuerle说道。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。

如此高的数据速率可能看起来很奇特，需要明确的是，6G仍然面临着重大的障碍。即便如此，像等离子体电光调制器和收发器这样的进步为更快速、更可靠的电信技术奠定了所需的基础。

“我们已经为无线领域的下一代（发展）做好了准备，”Leuthold说道。