“如何將高速數(shù)據(jù)傳輸速率進一步提高”，或許是通信領(lǐng)域中所有人都在思考的技術(shù)問題。

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

隨著不斷增長的帶寬需求，未來的無線通信系統(tǒng)無可避免地被推向了100 GHz至1 THz的區(qū)域，這已經(jīng)到達 “極高頻” 的區(qū)間，美國在今年年初決定開放 “太赫茲波” 頻率段（95 GHz ~ 3 THz），提供給6G的相關(guān)實驗使用，率先布局。

這刺激了研究人員對新信號源、調(diào)制器、諧振器、移相器，以及濾波器等互補設(shè)備的需求。但目前很少有滿足該頻段需求的裝置，同時毫米波的電磁特性通常是固定的，并且具有 “寬” 的共振特征。而最近來自美國伊利諾伊大學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線通信鋪平道路。

這項研究橫跨伊利諾伊大學香檳分校的電子計算機與工程、光學物理與工程，以及材料科學與工程系等專業(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者——孫鵬、張潤宇和陳聞遠。

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

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

此前，過于高頻的波段一度被認為是沒有使用價值的，因為缺乏能夠發(fā)送或者接收毫米波的電子元件或設(shè)備。但這項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“動態(tài)等離子體”與金屬和介電材料的設(shè)計。

等離子體（plasma）對于功能和頻率之間的快速切換至關(guān)重要，但是過往基于等離子體的電磁晶體都太大了，無法在高頻下工作。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)。我們這項研究的創(chuàng)新點在于，通過等離子體來設(shè)計并實現(xiàn)三維動態(tài) （空間和時間）可調(diào)控的活性功能化材料。這個成果是多領(lǐng)域交叉研究的精妙呈現(xiàn)?！睂O鵬說道。

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

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

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毫米的微毛細管中充滿等離子體、金屬和介電氣體。針對這個復制模塑（replica-molding）技術(shù)，他們花了近5年的時間來完善木樁狀晶格中微毛細管的尺寸和間距。

孫鵬說：“組裝材料非常困難。但最終還是能夠使用設(shè)計的材料來觀測100 GHz到300 GHz頻率范圍內(nèi)的共振，這是一個針對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） 等多步精細加工過程。所以，目前大規(guī)模應(yīng)用暫時還沒有考慮。

圖3 從左至右分別為：孫鵬、張潤宇、陳聞遠

但孫鵬和同事們的這項研究表明，設(shè)計出晶體的電子特性的快速變化（例如在反射或傳輸信號之間的切換）可以通過簡單地打開或關(guān)閉幾個等離子體柱來實現(xiàn)。這樣的能力證實了這種動態(tài)且節(jié)能的設(shè)備如果用在通信領(lǐng)域時能起到的效用。

對于未來的研究，這篇文章通訊作者、也是負責人之一的J. Gary Eden教授表示，希望能進一步優(yōu)化這種新器件的制造和開關(guān)效率。同時，也會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（用在針對大氣污染物的共振），還可以用作高靈敏度的檢測器等。