石墨烯與天線有什么關(guān)系？背后有大妙用
石墨烯與天線有什么關(guān)系？背后有大妙用
年輕的時(shí)候，我很迷戀電子學(xué)。無(wú)數(shù)次，電路沒(méi)有像預(yù)期一樣工作，失敗讓我學(xué)到一點(diǎn)：想告訴電子做什么簡(jiǎn)直就是徒勞。盡管如此，搭建電子控制相控陣天線時(shí)我的興趣達(dá)到了最高點(diǎn)。簡(jiǎn)單來(lái)講，稍微對(duì)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，無(wú)數(shù)小天線生成的信號(hào)就可以射向特定方向，不需要移動(dòng)硬件。
沒(méi)錯(cuò)，我的裝置的確管用，雖然沒(méi)有預(yù)料的那樣好。不論怎樣，相控陣天線之所以讓我興奮，主要是因?yàn)橥ㄟ^(guò)對(duì)一系列獨(dú)立發(fā)射器的相位和振幅進(jìn)行獨(dú)立控制，我們可以塑造輻射方向圖。看起來(lái)真的很酷。后來(lái)，我進(jìn)入了光學(xué)領(lǐng)域，控制獨(dú)立激光器的相位與振幅，將它們組組合成單一、可操縱的激光束……從技術(shù)上講完全可以做到，但在理想與實(shí)際部署之間有許多障礙。
最近，研究人員已經(jīng)證實(shí)，相位控制在裝置中是可以實(shí)現(xiàn)的，裝置比控制的光線波長(zhǎng)還要小。這是一個(gè)關(guān)鍵的進(jìn)步，我們朝著沒(méi)有光纖的高容量光通信技術(shù)前進(jìn)了一大步。有了這種技術(shù)，5G之后的移動(dòng)通信、家庭Wi-Fi不會(huì)再卡了。
有多難？
控制大量發(fā)射器的振幅與相位聽起來(lái)很簡(jiǎn)單。不妨想像一下，你要在Wi-Fi中達(dá)成目標(biāo)。Wi-Fi源的頻率是5GHz，也就是說(shuō)它的波長(zhǎng)是6cm。再讓我們假設(shè)一下，有16根天線，按4x4排列。如果我想控制每一根天線單元的相位，就要確保每一條波束有同樣的長(zhǎng)度（也就是波長(zhǎng)的二十分之一：3mm）。要做到還是相對(duì)容易的。
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要控制相位與振幅，接下來(lái)還有一件重要的事要做：你要調(diào)高或者調(diào)低天線單元的功率，在電路上安一些可變電容器，讓每一個(gè)天線單元實(shí)現(xiàn)可變延遲。聽起來(lái)簡(jiǎn)單，我想告訴你，英國(guó)衛(wèi)星廣播公司(British Satellite Broadcasting)的相控陣天線是假的，由此可以看出，相控陣天線絕非什么容易的技術(shù)。
現(xiàn)在讓我們進(jìn)入光學(xué)領(lǐng)域。我們可以選擇相對(duì)容易的路走，繼續(xù)使用紅外線，它的波長(zhǎng)大約是10μm（微米）。這樣一來(lái)，4x4陣列波束需要的長(zhǎng)度大約是500nm（納米）。看起來(lái)可行，但是要記住：如果使用光，重要的不只是波長(zhǎng)，還有其它東西。如果波束波長(zhǎng)只有40μm，那么波束的折射率變化幅度不能超過(guò)1%。波束越長(zhǎng)，折射率必須更接近。當(dāng)波長(zhǎng)越來(lái)越短，或者發(fā)射器的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，要達(dá)到制造容差的要求也就變得越來(lái)越有挑戰(zhàn)。
總之：搭建光相控陣天線是可行的，在控制嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，我們可以在常態(tài)環(huán)境中就可以做到；但是并不容易。如果想改變每一個(gè)陣列單元光束的相位和振幅，現(xiàn)在還無(wú)法做到。
移相器
改變光場(chǎng)的相位是相當(dāng)容易的事，只需要讓光跑遠(yuǎn)一點(diǎn)抵達(dá)目的地或者跑慢一點(diǎn)就行了。要做到有兩種方法：一，從物理上拉伸光傳輸?shù)穆窂剑鈺?huì)穿過(guò)材料，我們可以改變材料的折射率。后一種方法用得更多，但大多的材料只允許你對(duì)折射率進(jìn)細(xì)微的調(diào)整。換言之，如果有什么裝置可以控制光相位的變化，裝置必須很長(zhǎng)：如果折射率的變化幅度很小，你只能延長(zhǎng)距離讓相位改變。在整個(gè)長(zhǎng)度上必須保持統(tǒng)一。
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有一個(gè)方法更好：大幅調(diào)整折射率。為了達(dá)到目標(biāo)，光需要對(duì)電子形成強(qiáng)有力的反應(yīng)。也就是說(shuō)我們要用到導(dǎo)體，比如鋁或者金。可惜的是光穿過(guò)金屬時(shí)會(huì)反射，或者被吸收。
只有一種情況例外，那就是光與金屬中的電子結(jié)合，形成表面等離子體。在這種情況下，光與電子運(yùn)動(dòng)結(jié)合在一起，形成緩慢移動(dòng)的波，它會(huì)沿著金屬表面前進(jìn)。如果你想計(jì)算一下折射率，根據(jù)傳播速度的不同，折射率可以達(dá)到100（玻璃為1.3，大多數(shù)材料介于1-5）。
等離子體的移動(dòng)有一個(gè)關(guān)鍵：它的傳播速度與移動(dòng)的電子數(shù)量關(guān)切密切。
石墨烯幫上大忙
石墨烯就是單層碳原子排成蜂窩結(jié)構(gòu)。因?yàn)榇嬖谏鲜鎏魬?zhàn)，石墨烯可以發(fā)揮作用。石墨烯是導(dǎo)體，可以支持表面等離子體傳播。不過(guò)石墨烯并不是金屬，它實(shí)際上是一種半導(dǎo)體，像硅一樣。石墨烯與硅有一個(gè)不同的地方，那就是自由移動(dòng)的電子與受到原子限制的電子之間的能隙；石墨烯的能隙基本上等于零，而硅約為1伏特。當(dāng)我們將電場(chǎng)應(yīng)用于石墨烯，額外能量會(huì)讓更多的電子變成導(dǎo)電狀態(tài)，這樣就可以提高等離子體的移動(dòng)速度。
要讓效果完全發(fā)揮出來(lái)，石墨烯不能受到外部世界的打擾。如果你只是在任意舊表面上覆蓋一層石墨烯，表面等離子體會(huì)幅射到表面內(nèi)，然后逃離出去。這樣一來(lái)，你想調(diào)節(jié)相位，但是找不到可以調(diào)節(jié)的東西。研究的關(guān)鍵正在于此：科學(xué)家找到了一種惰性基片（氮化硼），我們可以用基片將石墨烯封裝。成功將石墨烯裝進(jìn)氮化硼后，研究人員就可以生成表面等離子體，在移相裝置的整個(gè)長(zhǎng)度上傳輸時(shí)損耗很小。
最終結(jié)果顯示，裝置的長(zhǎng)度約為600nm，但是折射率介于80-160，允許入射光場(chǎng)移動(dòng)一個(gè)完全的周期（也就是相位調(diào)整360度）。
因?yàn)檠b置的“心臟”是石墨烯，光必須擁有更長(zhǎng)的波長(zhǎng)才能形成等離子體，所以我們這里說(shuō)的是紅外光，不是可見光。自由空間中的光波波長(zhǎng)比整個(gè)移相裝置長(zhǎng)10倍，真是酷極了。
你可能會(huì)感到奇怪，既然裝置連一個(gè)波長(zhǎng)都不到，你如何完成360度相位轉(zhuǎn)移呢？答案是這樣的：裝置中的波長(zhǎng)是等離子體的波長(zhǎng)，而等離子體的波長(zhǎng)更短，所以你可以將多個(gè)波長(zhǎng)放進(jìn)移相器。因?yàn)檎凵渎式咏?00，波長(zhǎng)也就會(huì)減少100。這樣一來(lái)，整個(gè)裝置的長(zhǎng)度就會(huì)比等離子體的有效波長(zhǎng)長(zhǎng)很多。
與天線有什么關(guān)系？
我是從相控陣天線談起的，通過(guò)調(diào)節(jié)每一個(gè)天線單元，我們可以對(duì)幅射的相位和振幅進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制幅射圖的形狀和方向。就目前而言，我們已經(jīng)開發(fā)出有效的移相器，至少在紅外領(lǐng)域做到了。裝置并不笨重，相對(duì)比較強(qiáng)大。這是不是說(shuō)紅外相控陣天線即將出現(xiàn)？
我想說(shuō)“是的”，它已經(jīng)出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中。在移動(dòng)領(lǐng)域，5G允許我們調(diào)節(jié)天線幅射的形狀，對(duì)方向進(jìn)行控制，這樣一來(lái)，在移動(dòng)設(shè)備與固定天線之間就可以建立高容量連接。這是一個(gè)明顯的信號(hào)，它告訴我們高容量連接需要對(duì)波束進(jìn)行一定的控制。
多年來(lái)，研究人員一直在考慮用自由空間光信號(hào)實(shí)現(xiàn)高容量數(shù)據(jù)連接。為了達(dá)成目標(biāo)，我們要對(duì)多個(gè)激光束進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。如何做呢？你需要多元光天線，需要控制每一個(gè)發(fā)射器的相位與振幅。正因如此，這種技術(shù)不是無(wú)線的下一代，而是下一代的下一代技術(shù)。
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