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有了石墨烯 未来我们可以用光搭建无线网络

导读: 有了石墨烯技术,我们可以制造出红外相控阵天线,这要一来无线传输速度就会快很多。不过它不是一下代无线技术,而是下下一代。

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。

有了石墨烯 未来我们可以用光搭建无线网络

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。

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