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瑞士苏黎世联邦理工大学用毫米波技术解决“最后一英里”问题

2019-05-16 09:34 瑞士留学360 4008-941-360

周雨仙老师

瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员们开发出一种新型调制器。采用这种调制器,通过毫米波形式传输的数据可直接转化到在光纤中传输的光脉冲中。通过这项技术,从核心网到用户家庭终端设备之间的通信连接,将显着地变快变便宜。

背景

光波的高频振荡,使之非常适合高速数据通信。通过光纤发送的光波,每秒可轻松地携带几百吉比特(Gigabits)的数据。1吉比特相当于10^9比特。

然而,随着光纤通信网络的不断发展,“最后一英里(Last-mile)“问题,成为了困扰着许多用户与电信运营商的主要问题之一,也成为了光纤通信迈向更高速度的主要瓶颈。

立思辰留学360介绍,什么是“最后一英里”问题?最早,它是指电信服务商在公用模拟电话通信网建设中接入工程的入户部分。后来的光纤时代,“最后一英里”是指从光节点到每个用户家庭之间不大于2公里的距离。由于光纤可提供达几百Gbps的带宽,而传统电话线只能提供几十Kbps的带宽。因此,从光纤核心网到用户终端之间的狭窄信息通道,成为了接入网络的带宽“瓶颈”,导致信息传输速度放缓。也可以这么说,“最后一英里”是最难走、最昂贵的。

如今,一些可供选择的解决方案纷纷出现,例如4G、5G移动通讯。虽然这些方案的成本变得更低,但是它们却无法同时提供极高的数据传输速率给所有用户。可是,这种高速数据传输,正是当今“数据饥渴型”应用(例如流媒体电视)所需要的。

瑞士苏黎世联邦理工大学用毫米波技术解决“最后一英里”问题

创新

近日,瑞士苏黎世联邦理工学院( ETH Zurich)电磁场研究所的教授 Jürg Leuthold 及其合作伙伴们,得到了位于美国西雅图的华盛顿大学的同事们的支持,开发出一种新型光调制器。未来,这种光调制器将通过“高频微波”,也称“毫米波”,高效且低成本地覆盖“最后一英里”,以实现高速数据传输。

技术

由光纤中的光线强度变化编码而成的数据,想要很快地转移到毫米波上,离不开昂贵的电子元器件。从相反方向来说,毫米波首先必须被天线接收,然后被放大并混合到基带上,最后注入到光调制器中。光调制器会将毫米波中包含的数据反过来转化成光脉冲。

Leuthold 及其同事们成功地构造出一个无需电池和电子器件就可以工作的光调制器。为这种新型调制器开发作出重要贡献的博士生 Yannick Salamin 表示:“这使得我们的调制器完全独立于外部的电源,而且最重要的是它非常小。因此,原则上,它可以安装在任何灯杆上。在那里,它可以通过来自个人住宅的毫米波信号接收数据,并将其直接反馈进核心网。”

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毫米波(红色箭头)传输的数据直接被转化为光纤中的光脉冲(黄色)

苏黎世联邦理工学院打造的调制器,由一个尺寸小于1毫米的芯片组成,芯片中也含有微波天线。天线可以接收毫米波,并将它们转化为电压。然后,电压会作用在芯片中心的狭缝上,这里其实是调制器的心脏。狭缝的长度仅为几微米,宽度少于几百纳米,其中填充着一种对于电场特别敏感的材料。来自光纤的光束被送入狭缝中。然而,光线在狭缝内部传输的情况,与光纤或者空气中传输的情况不同,它不再是一种电磁波,而是一种所谓的“等离激元”。等离激元是由电磁场与金属表面的电荷振荡混合而成。由于这一特性,它们能比光波“密闭”得更加“紧凑”。

有了狭缝内的电敏感(“非线性”)材料的保障,即使天线制造出最微小的电场,也将强烈地影响等离激元的传播。当等离激元在狭缝的另一端被转化为光波时,这种对于波的振荡相位施加的影响会得以保存。通过这种方式,毫米波包含的数据比特被直接转化到光波上,无需使用电子器件,也无需任何外部电源。在实验室,研究人员们采用 60 GHz 毫米波信号进行实验,演示了跨越5米的数据传输速率可达10 Gbps,跨越1米则可达 20 Gbps。

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在新型调制器中,毫米波信号(蓝色)被天线接收,并在中间的微小狭缝中被转化为光信号(红色)。(图片来源:ETH Zurich / Jürg Leuthold)

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设备的结构与性能

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光纤-无线与无线-光纤连接实验

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实验结果

价值

除了十分微小的尺寸以及几乎可忽略的功耗,这种新型调制器还具有一系列更多的优势。Leuthold 强调:“直接从毫米波转移至光波,使得我们的调制器在频率和数据编码的精确格式方面更加灵活。”实际上,调制器已经能兼容新的5G技术,以及基于毫米波与300 GHz的太赫兹频率的未来工业标准,并且数据传输速率可达 100 Gbps。更进一步说,它可以采用传统的硅技术来制造,所以成本相对较低。

最后,Leuthold 表示,对于电磁辐射感到担忧的用户可以放心。WiFi 调制解调器(俗称“猫”)产生的无线电波或者微波,是均匀地朝着所有方向传播。而毫米波则不同,它能被强聚焦地传输至室外,并且只在屋顶天线与灯杆之间的直径为20厘米的波束中传输。相比于其它无线技术,这项技术很大程度上减少了传输所需的功率,也避免了 WiFi 调制解调器的信号在传输过程中相互妨碍所带来的问题。

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