“如何將高速數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)一步提高”，或許是通信領(lǐng)域中所有人都在思考的技術(shù)問(wèn)題。

從1G、2G、3G，到如今被廣泛應(yīng)用的4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過(guò)程可以看出，人們使用的電波頻率越來(lái)越高。使用更高頻率的電磁波以更快的速率來(lái)傳輸，已經(jīng)是目前無(wú)可避免的趨勢(shì)。

隨著不斷增長(zhǎng)的帶寬需求，未來(lái)的無(wú)線通信系統(tǒng)無(wú)可避免地被推向了100 GHz至1 THz的區(qū)域，這已經(jīng)到達(dá) “極高頻” 的區(qū)間，美國(guó)在今年年初決定開(kāi)放 “太赫茲波” 頻率段（95 GHz ~ 3 THz），提供給6G的相關(guān)實(shí)驗(yàn)使用，率先布局。

這刺激了研究人員對(duì)新信號(hào)源、調(diào)制器、諧振器、移相器，以及濾波器等互補(bǔ)設(shè)備的需求。但目前很少有滿足該頻段需求的裝置，同時(shí)毫米波的電磁特性通常是固定的，并且具有 “寬” 的共振特征。而最近來(lái)自美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校的研究人員將等離子、金屬和介電材料組合成了一種多功能的人造晶體，或可為更高帶寬的無(wú)線通信鋪平道路。

這項(xiàng)研究橫跨伊利諾伊大學(xué)香檳分校的電子計(jì)算機(jī)與工程、光學(xué)物理與工程，以及材料科學(xué)與工程系等專業(yè)，文章發(fā)表在近期的Applied Physics Reviews雜志上。三位并列第一作者都是該校的華人學(xué)者——孫鵬、張潤(rùn)宇和陳聞遠(yuǎn)。

圖1 動(dòng)態(tài)等離子體/金屬/介電晶體能夠過(guò)濾100~300 GHz范圍內(nèi)的電磁信號(hào)，并在任何給定的時(shí)間傳送所需的頻率；白光照射在晶體上象征著被晶體過(guò)濾的寬帶毫米波信號(hào)，其只允許窄帶輻射（以紅色、綠色或藍(lán)色的光束形式）穿過(guò)晶體

據(jù)悉，這項(xiàng)技術(shù)的格外特殊之處，在于它能在多頻率下同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)通訊頻道。換句話說(shuō)，它能允許多個(gè)通話同一時(shí)間在同一網(wǎng)絡(luò)下存在。而這一點(diǎn)也是未來(lái)高速通訊發(fā)展的核心。

此前，過(guò)于高頻的波段一度被認(rèn)為是沒(méi)有使用價(jià)值的，因?yàn)槿狈δ軌虬l(fā)送或者接收毫米波的電子元件或設(shè)備。但這項(xiàng)研究或許將為通信設(shè)備提供巨大的帶寬潛力，而研究的關(guān)鍵就是“動(dòng)態(tài)等離子體”與金屬和介電材料的設(shè)計(jì)。

等離子體（plasma）對(duì)于功能和頻率之間的快速切換至關(guān)重要，但是過(guò)往基于等離子體的電磁晶體都太大了，無(wú)法在高頻下工作。所以，孫鵬和他的同事們發(fā)現(xiàn)，突破的關(guān)鍵在于去創(chuàng)建一種可以讓等離子和金屬柱之間的間距小到操縱輻射波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)。

“等離子體是物質(zhì)除了固態(tài)、氣態(tài)和液態(tài)之外的第四種狀態(tài)。我們這項(xiàng)研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于，通過(guò)等離子體來(lái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)三維動(dòng)態(tài) （空間和時(shí)間）可調(diào)控的活性功能化材料。這個(gè)成果是多領(lǐng)域交叉研究的精妙呈現(xiàn)?！睂O鵬說(shuō)道。

圖2 具有木樁結(jié)構(gòu)的三維等離子體光子晶體（PPCs）結(jié)構(gòu)圖像

從體積角度來(lái)看，電磁波的波長(zhǎng)隨著頻率和帶寬的增加而縮短。他們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)工作在100 GHz以上頻率的高帶寬晶體，就需要進(jìn)行小規(guī)模設(shè)計(jì)。

孫鵬和他的同事們用3D打印制造出一種支架，這是所需網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)底片。隨后，他們將聚合物倒入，一旦凝固，再向直徑為0.3毫米的微毛細(xì)管中充滿等離子體、金屬和介電氣體。針對(duì)這個(gè)復(fù)制模塑（replica-molding）技術(shù)，他們花了近5年的時(shí)間來(lái)完善木樁狀晶格中微毛細(xì)管的尺寸和間距。

孫鵬說(shuō)：“組裝材料非常困難。但最終還是能夠使用設(shè)計(jì)的材料來(lái)觀測(cè)100 GHz到300 GHz頻率范圍內(nèi)的共振，這是一個(gè)針對(duì)很大的共振范圍的操作。”

此外，他還表示為滿足100-300 GHz的有效工作區(qū)間，這就意味著對(duì)等離子的電子密度有很高的要求。除了3D打印之外，還涉及軟光刻技術(shù)（Soft-Lithography） 等多步精細(xì)加工過(guò)程。所以，目前大規(guī)模應(yīng)用暫時(shí)還沒(méi)有考慮。

圖3 從左至右分別為：孫鵬、張潤(rùn)宇、陳聞遠(yuǎn)

但孫鵬和同事們的這項(xiàng)研究表明，設(shè)計(jì)出晶體的電子特性的快速變化（例如在反射或傳輸信號(hào)之間的切換）可以通過(guò)簡(jiǎn)單地打開(kāi)或關(guān)閉幾個(gè)等離子體柱來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣的能力證實(shí)了這種動(dòng)態(tài)且節(jié)能的設(shè)備如果用在通信領(lǐng)域時(shí)能起到的效用。

對(duì)于未來(lái)的研究，這篇文章通訊作者、也是負(fù)責(zé)人之一的J. Gary Eden教授表示，希望能進(jìn)一步優(yōu)化這種新器件的制造和開(kāi)關(guān)效率。同時(shí)，也會(huì)嘗試深入研究其他的應(yīng)用之處，比如可以調(diào)節(jié)晶體以響應(yīng)特定分子（用在針對(duì)大氣污染物的共振），還可以用作高靈敏度的檢測(cè)器等。