新型光調製器：利用毫米波技術，解決「最後一英里」問題！

導讀

近日，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的研究人員們開發出一種新型調製器。採用這種調製器，通過毫米波形式傳輸的數據可直接轉化到在光纖中傳輸的光脈衝中。通過這項技術，從核心網到用戶家庭終端設備之間的通信連接，將顯著地變快變便宜。

背景

光波的高頻振蕩，使之非常適合高速數據通信。通過光纖發送的光波，每秒可輕鬆地攜帶幾百吉比特（Gigabits）的數據。1吉比特相當於10^9比特。

然而，隨著光纖通信網路的不斷發展，「最後一英里（Last-mile）「問題，成為了困擾著許多用戶與電信運營商的主要問題之一，也成為了光纖通信邁向更高速度的主要瓶頸。

什麼是「最後一英里」問題？最早，它是指電信服務商在公用模擬電話通信網建設中接入工程的入戶部分。後來的光纖時代，「最後一英里」是指從光節點到每個用戶家庭之間不大於2公里的距離。由於光纖可提供達幾百Gbps的帶寬，而傳統電話線只能提供幾十Kbps的帶寬。因此，從光纖核心網到用戶終端之間的狹窄信息通道，成為了接入網路的帶寬「瓶頸」，導致信息傳輸速度放緩。也可以這麼說，「最後一英里」是最難走、最昂貴的。

如今，一些可供選擇的解決方案紛紛出現，例如4G、5G移動通訊。雖然這些方案的成本變得更低，但是它們卻無法同時提供極高的數據傳輸速率給所有用戶。可是，這種高速數據傳輸，正是當今「數據饑渴型」應用（例如流媒體電視）所需要的。

創新

近日，瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ ETH Zurich）電磁場研究所的教授 Jürg Leuthold 及其合作夥伴們，得到了位於美國西雅圖的華盛頓大學的同事們的支持，開發出一種新型光調製器。未來，這種光調製器將通過「高頻微波」，也稱「毫米波」，高效且低成本地覆蓋「最後一英里」，以實現高速數據傳輸。

技術

由光纖中的光線強度變化編碼而成的數據，想要很快地轉移到毫米波上，離不開昂貴的電子元器件。從相反方向來說，毫米波首先必須被天線接收，然後被放大並混合到基帶上，最後注入到光調製器中。光調製器會將毫米波中包含的數據反過來轉化成光脈衝。

Leuthold 及其同事們成功地構造出一個無需電池和電子器件就可以工作的光調製器。為這種新型調製器開發作出重要貢獻的博士生 Yannick Salamin 表示：「這使得我們的調製器完全獨立於外部的電源，而且最重要的是它非常小。因此，原則上，它可以安裝在任何燈桿上。在那裡，它可以通過來自個人住宅的毫米波信號接收數據，並將其直接反饋進核心網。」

毫米波（紅色箭頭）傳輸的數據直接被轉化為光纖中的光脈衝（黃色）（參考資料【2】）

蘇黎世聯邦理工學院打造的調製器，由一個尺寸小於1毫米的晶元組成，晶元中也含有微波天線。天線可以接收毫米波，並將它們轉化為電壓。然後，電壓會作用在晶元中心的狹縫上，這裡其實是調製器的心臟。狹縫的長度僅為幾微米，寬度少於幾百納米，其中填充著一種對於電場特別敏感的材料。來自光纖的光束被送入狹縫中。然而，光線在狹縫內部傳輸的情況，與光纖或者空氣中傳輸的情況不同，它不再是一種電磁波，而是一種所謂的「等離激元」。等離激元是由電磁場與金屬表面的電荷振蕩混合而成。由於這一特性，它們能比光波「密閉」得更加「緊湊」。

有了狹縫內的電敏感（「非線性」）材料的保障，即使天線製造出最微小的電場，也將強烈地影響等離激元的傳播。當等離激元在狹縫的另一端被轉化為光波時，這種對於波的振蕩相位施加的影響會得以保存。通過這種方式，毫米波包含的數據比特被直接轉化到光波上，無需使用電子器件，也無需任何外部電源。在實驗室，研究人員們採用 60 GHz 毫米波信號進行實驗，演示了跨越5米的數據傳輸速率可達10 Gbps，跨越1米則可達 20 Gbps。

在新型調製器中，毫米波信號（藍色）被天線接收，並在中間的微小狹縫中被轉化為光信號（紅色）。

（圖片來源：ETH Zurich / Jürg Leuthold）

設備的結構與性能（圖片來源：參考資料【2】）

光纖-無線與無線-光纖連接實驗（圖片來源：參考資料【2】）

實驗結果（圖片來源：參考資料【2】）

價值

除了十分微小的尺寸以及幾乎可忽略的功耗，這種新型調製器還具有一系列更多的優勢。Leuthold 強調：「直接從毫米波轉移至光波，使得我們的調製器在頻率和數據編碼的精確格式方面更加靈活。」實際上，調製器已經能兼容新的5G技術，以及基於毫米波與300 GHz的太赫茲頻率的未來工業標準，並且數據傳輸速率可達 100 Gbps。更進一步說，它可以採用傳統的硅技術來製造，所以成本相對較低。

最後，Leuthold 表示，對於電磁輻射感到擔憂的用戶可以放心。WiFi 數據機（俗稱「貓」）產生的無線電波或者微波，是均勻地朝著所有方向傳播。而毫米波則不同，它能被強聚焦地傳輸至室外，並且只在屋頂天線與燈桿之間的直徑為20厘米的波束中傳輸。相比於其它無線技術，這項技術很大程度上減少了傳輸所需的功率，也避免了 WiFi 數據機的信號在傳輸過程中相互妨礙所帶來的問題。

關鍵字

通信、毫米波、光纖、等離激元、晶元

參考資料

【1】https://www.ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2018/11/millimetre-waves-for-the-last-mile.html

【2】Salamin Y et al.: Microwave plasmonic mixer in a transparent fibre-wireless link, Nature Photonics, 29 October 2018, doi: 10.1038/s41566-018-0281-6

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