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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，其中一些技术无法轻易地相互通信。

例如，用于无线通信的电信号不能直接输入到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光（然后再转换回来）。这项重要任务由一个名为电光 (EO) 调制器的网络组件执行。

“你拥有的所有信息都在电子世界中，但一旦它离开你的房子，它就会进入光纤。因此，你需要能够以极快的速度将电信号编码成光信号的组件。这就是调制器的用武之地，”苏黎世联邦理工学院 (ETH Zurich) 信息技术和电气工程系主任 Juerg Leuthold 说道。

电信供应商希望下一代 6G 网络能够提供高达每秒 1 太比特甚至更高的无线速度。然而，这些快速无线网络仍然需要与有线光纤基础设施连接。这意味着电光调制器需要升级，否则它们可能会成为瓶颈。

Plasmonic EO Modulator 的突破

Leuthold 是一位论文的合著者，该论文由 ETH Zurich 和瑞士 Polariton Technologies 的研究人员最近发表，展示了一种能够达到高达 1.14 太赫兹频率的 plasmonic EO modulator。它还在 997 吉赫兹的频率下提供了 3 分贝的 EO 带宽。简单来说，该调制器可以在发生显著信号衰减之前处理高达近 1 太赫兹的信号。

这与目前常用的调制器相比是一个巨大的飞跃。大多数调制器基于诸如铌酸锂 (LiNbO₃)、砷化铟镓 (InGaAs) 以及最近的硅等材料。使用这些材料的调制器通常具有频率响应，当频率达到 60 到 100 GHz 时，频率响应会降低。Plasmonic EO modulator 实现了大约十倍的改进。

正如你可能预料的那样，plasmonic EO modulator 的工作方式与其前身略有不同。

传统的调制器通常依赖于 Pockels effect，它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通过材料的光，从而可以将电信号写入光信号。

Plasmonic modulators 仍然使用 Pockels effect，但进入调制器的光会发生转换。“我们获取光子，一个红色光子，将其转换为等离激元 (plasmon)，等离激元 (plasmon) 沿着金属表面传播，”Leuthold 解释说。

等离激元 (plasmons) 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。这些等离激元波在金属结构上传播。

Plasmonic modulator 通过在金中切割仅 100 纳米宽的微小槽来利用这一点。这些槽填充有有机电光材料，可以改变光的折射率。在这些槽内，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。

由于这些槽非常小，因此电场增强高达 35,000 倍。这使得电信号和光信号之间能够进行更强的交互。

Plasmonic Modulators 的商业化

实现高达 1 THz 频率的 plasmonic EO modulator 的演示是 ETH Zurich 十年来在 plasmonic modulator 创新方面取得的最新成果。

包括 Leuthold 在内的 ETH Zurich 研究人员在 2015 年发表了一篇关于使用等离激元进行电光转换的论文，当时预测它可以实现高达 1 THz 的频率。他们现在已经证明这种可能性已成为现实。

Plasmonic modulators 正在由 Polariton 进行商业化。Polariton 于 2019 年从 ETH Zurich 分拆出来，由三位先前研究的博士生 Wolfgang Heni、Benedikt Baeuerle 和 Claudia Hoessbacher 共同创立。

Polariton 目前提供高达 145 GHz 的硅和 plasmonic EO modulators。Baeuerle 表示，该公司拥有能够达到高达 1 THz 的“少量工程样品”。

如果下一代 6G 电信网络希望实现其宏伟的承诺，那么将需要这样的调制器。

虽然尚未制定 6G 网络的标准，但预计它们将使用太赫兹频率来提供可能超过每秒 1 太比特的数据速率。如果这些高速网络投入使用，传统的 EO 调制器（如前所述，其最高频率约为 100 GHz）将成为一个瓶颈。

该技术还在 AI 数据中心占有一席之地。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。并且，就像任何其他光纤网络一样，需要一个电光调制器将电信号转换为光（或反之）。Polariton 生产调制器和收发器（在两个方向上转换信号）。

“我们的电光调制器是下一代数据中心和 AI 集群收发器的解决方案，它们需要高速和紧凑的集成，”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。

如此高的数据速率可能看起来很古怪，需要明确的是，6G 仍然面临着重大障碍。即便如此，像 plasmonic EO modulators 和收发器这样的进步为更快、更可靠的电信奠定了基础。

“我们为无线世界的下一代做好了准备，”Leuthold 说。