在現(xiàn)代電信基礎(chǔ)設(shè)施里，光電信號轉(zhuǎn)換效率直接影響著通信系統(tǒng)的性能上限。鈮酸鋰調(diào)制器是行業(yè)的主力產(chǎn)品，不過當它的晶圓尺寸超過 3 英寸時，生產(chǎn)良率就會急劇下降。硅基調(diào)制器工藝成熟，但在百 GHz 頻段會遇到信號衰減的物理瓶頸。
蘇黎世聯(lián)邦理工學院 Leuthold 教授團隊有了突破性的成果，他們研制出的等離子體電光調(diào)制器，在 0.1 - 1.14 太赫茲頻段有著非常出色的傳輸特性，為 6G 通信系統(tǒng)提供了關(guān)鍵的器件支持。
傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)很難突破物理極限。鈮酸鋰器件雖然電光系數(shù)優(yōu)異，但受到聲光耦合效應(yīng)的限制，工作頻率超過 100 GHz 時，調(diào)制效率會下降 80%。砷化鎵銦調(diào)制器在高頻領(lǐng)域表現(xiàn)較好，不過它的 PIN 結(jié)構(gòu)要求驅(qū)動電壓維持在 5V 以上，功耗比新興技術(shù)高出 5 個量級。硅基平臺能實現(xiàn) CMOS 工藝集成，可材料本身的帶寬只有 30 GHz，依靠復雜的級聯(lián)結(jié)構(gòu)會讓尺寸增大到毫米量級，這和數(shù)據(jù)中心對緊湊型光電模塊的需求不相符。
在技術(shù)陷入困境時，等離子體增強機制帶來了新的可能。當激光束被限制在 100 納米的金屬狹縫中，表面等離子體激元能讓光場局域效應(yīng)增強 3.5 萬倍。ETH 團隊采用有機電光材料填充縫隙，這種材料的非線性系數(shù)是傳統(tǒng)材料的 25 倍，再配合優(yōu)化的雙帶狀線電極，成功在 980 GHz 處實現(xiàn)了 20 dB 的調(diào)制深度。這種金屬 - 絕緣體 - 金屬結(jié)構(gòu)（MIM）通過等效電路模型優(yōu)化，把典型 RC 時間常數(shù)壓縮到 0.35 ps，讓器件 3 dB 帶寬突破了 900 GHz。
商業(yè)化驗證顯示出該技術(shù)的廣闊前景。Polariton Technologies 推出的首個商用型號采用硅兼容工藝，插損能控制在 5 dB 以內(nèi)，體積只有傳統(tǒng)器件的 1/8。在連接英偉達 A100 GPU 集群的實測中，利用四階脈沖幅度調(diào)制實現(xiàn)了 4×100 Gbit/s 的并行傳輸，誤碼率低于 1E - 12。而且該技術(shù)支持異構(gòu)集成，其相位調(diào)制單元與馬赫 - 曾德爾干涉儀的組合，為 1.6 Tbit/s O 波段光模塊提供了可擴展的解決方案。
在面向 6G 的實際部署中，混合波導設(shè)計是核心技術(shù)路線。太赫茲信號傳播超過 50 μm 時，等離子體模式損耗可達 200 dB/cm。研究團隊在電光活性區(qū)嵌入硅波導層，把有效傳播距離提高到毫米量級，同時保持芯片面積緊湊，只有 0.1 mm2。該結(jié)構(gòu)兼容 50 Ω 射頻輸入阻抗，讓器件在 300 GHz 頻段的電壓擺幅降到 0.8 V，大大降低了驅(qū)動電路的復雜度。
技術(shù)總是在不斷發(fā)展。雖然當前器件在高溫測試中能保持 3000 小時的穩(wěn)定性，但長期氧化防護還需要納米封裝技術(shù)來改進。值得一提的是，參與 3GPP 標準制定的華為技術(shù)團隊，已在最新白皮書中把該調(diào)制器列為太赫茲通信核心器件的候選方案。就像 Leuthold 教授在 Optica 期刊中說的：“當光電子與無線通信的界限逐漸模糊，新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施的重建就會加速推進?！?/p>
這場太赫茲通信革命帶來的不只是速度的提升。在數(shù)據(jù)中心里，緊湊型光電合封芯片能讓 I/O 能耗降低 40%；在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，太赫茲波束的精準調(diào)控能讓同步軌道衛(wèi)星通信容量提升三個數(shù)量級。當廣域無線網(wǎng)絡(luò)與光纖干線的耦合損耗降低到 1 dB 量級，人類社會將真正進入 “光速互聯(lián)” 的新時代。
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