石墨烯和移相器的介绍及用光搭建无线网络的实现

　　年轻的时候，我很迷恋电子学。无数次，电路没有像预期一样工作，失败让我学到一点：想告诉电子做什么简直就是徒劳。尽管如此，搭建电子控制相控阵天线时我的兴趣达到了最高点。简单来讲，稍微对时间进行调整，无数小天线生成的信号就可以射向特定方向，不需要移动硬件。

　　没错，我的装置的确管用，虽然没有预料的那样好。不论怎样，相控阵天线之所以让我兴奋，主要是因为通过对一系列独立发射器的相位和振幅进行独立控制，我们可以塑造辐射方向图。看起来真的很酷。后来，我进入了光学领域，控制独立激光器的相位与振幅，将它们组组合成单一、可操纵的激光束……从技术上讲完全可以做到，但在理想与实际部署之间有许多障碍。最近，研究人员已经证实，相位控制在装置中是可以实现的，装置比控制的光线波长还要小。这是一个关键的进步，我们朝着没有光纤的高容量光通信技术前进了一大步。有了这种技术，5G 之后的移动通信、家庭 Wi-Fi 不会再卡了。有多难？控制大量发射器的振幅与相位听起来很简单。不妨想像一下，你要在 Wi-Fi 中达成目标。Wi-Fi 源的频率是 5GHz，也就是说它的波长是 6cm。再让我们假设一下，有 16 根天线，按 4x4 排列。如果我想控制每一根天线单元的相位，就要确保每一条波束有同样的长度（也就是波长的二十分之一：3mm）。要做到还是相对容易的。

　　要控制相位与振幅，接下来还有一件重要的事要做：你要调高或者调低天线单元的功率，在电路上安一些可变电容器，让每一个天线单元实现可变延迟。听起来简单，我想告诉你，英国卫星广播公司（British Satellite Broadcasting）的相控阵天线是假的，由此可以看出，相控阵天线绝非什么容易的技术。现在让我们进入光学领域。我们可以选择相对容易的路走，继续使用红外线，它的波长大约是 10μm（微米）。这样一来，4x4 阵列波束需要的长度大约是 500nm（纳米）。看起来可行，但是要记住：如果使用光，重要的不只是波长，还有其它东西。如果波束波长只有 40μm，那么波束的折射率变化幅度不能超过 1%。波束越长，折射率必须更接近。当波长越来越短，或者发射器的距离越来越远，要达到制造容差的要求也就变得越来越有挑战。总之：搭建光相控阵天线是可行的，在控制严密的实验室环境下，我们可以在常态环境中就可以做到；但是并不容易。如果想改变每一个阵列单元光束的相位和振幅，现在还无法做到。移相器改变光场的相位是相当容易的事，只需要让光跑远一点抵达目的地或者跑慢一点就行了。要做到有两种方法：一，从物理上拉伸光传输的路径，二，光会穿过材料，我们可以改变材料的折射率。后一种方法用得更多，但大多的材料只允许你对折射率进细微的调整。换言之，如果有什么装置可以控制光相位的变化，装置必须很长：如果折射率的变化幅度很小，你只能延长距离让相位改变。在整个长度上必须保持统一。