年輕的時候，我很迷戀電子學。無數次，電路沒有像預期一樣工作，失敗讓我學到一點：想告訴電子做什么簡直就是徒勞。盡管如此，搭建電子控制相控陣天線時我的興趣達到了最高點。簡單來講，稍微對時間進行調整，無數小天線生成的信號就可以射向特定方向，不需要移動硬件。

沒錯，我的裝置的確管用，雖然沒有預料的那樣好。不論怎樣，相控陣天線之所以讓我興奮，主要是因為通過對一系列獨立發射器的相位和振幅進行獨立控制，我們可以塑造輻射方向圖?？雌饋碚娴暮芸?。后來，我進入了光學領域，控制獨立激光器的相位與振幅，將它們組組合成單一、可操縱的激光束……從技術上講完全可以做到，但在理想與實際部署之間有許多障礙。

最近，研究人員已經證實，相位控制在裝置中是可以實現的，裝置比控制的光線波長還要小。這是一個關鍵的進步，我們朝著沒有光纖的高容量光通信技術前進了一大步。有了這種技術，5G之后的移動通信、家庭Wi-Fi不會再卡了。

有多難？

控制大量發射器的振幅與相位聽起來很簡單。不妨想像一下，你要在Wi-Fi中達成目標。Wi-Fi源的頻率是5GHz，也就是說它的波長是6cm。再讓我們假設一下，有16根天線，按4x4排列。如果我想控制每一根天線單元的相位，就要確保每一條波束有同樣的長度（也就是波長的二十分之一：3mm）。要做到還是相對容易的。

要控制相位與振幅，接下來還有一件重要的事要做：你要調高或者調低天線單元的功率，在電路上安一些可變電容器，讓每一個天線單元實現可變延遲。聽起來簡單，我想告訴你，英國衛星廣播公司(BritishSatelliteBroadcasting)的相控陣天線是假的，由此可以看出，相控陣天線絕非什么容易的技術。

現在讓我們進入光學領域。我們可以選擇相對容易的路走，繼續使用紅外線，它的波長大約是10μm（微米）。這樣一來，4x4陣列波束需要的長度大約是500nm（納米）?？雌饋砜尚?，但是要記住：如果使用光，重要的不只是波長，還有其它東西。如果波束波長只有40μm，那么波束的折射率變化幅度不能超過1%。波束越長，折射率必須更接近。當波長越來越短，或者發射器的距離越來越遠，要達到制造容差的要求也就變得越來越有挑戰。

總之：搭建光相控陣天線是可行的，在控制嚴密的實驗室環境下，我們可以在常態環境中就可以做到；但是并不容易。如果想改變每一個陣列單元光束的相位和振幅，現在還無法做到。

移相器

改變光場的相位是相當容易的事，只需要讓光跑遠一點抵達目的地或者跑慢一點就行了。要做到有兩種方法：一，從物理上拉伸光傳輸的路徑，二，光會穿過材料，我們可以改變材料的折射率。后一種方法用得更多，但大多的材料只允許你對折射率進細微的調整。換言之，如果有什么裝置可以控制光相位的變化，裝置必須很長：如果折射率的變化幅度很小，你只能延長距離讓相位改變。在整個長度上必須保持統一。

有一個方法更好：大幅調整折射率。為了達到目標，光需要對電子形成強有力的反應。也就是說我們要用到導體，比如鋁或者金?？上У氖枪獯┻^金屬時會反射，或者被吸收。

只有一種情況例外，那就是光與金屬中的電子結合，形成表面等離子體。在這種情況下，光與電子運動結合在一起，形成緩慢移動的波，它會沿著金屬表面前進。如果你想計算一下折射率，根據傳播速度的不同，折射率可以達到100（玻璃為1.3，大多數材料介于1-5）。

等離子體的移動有一個關鍵：它的傳播速度與移動的電子數量關切密切。

石墨烯幫上大忙

石墨烯就是單層碳原子排成蜂窩結構。因為存在上述挑戰，石墨烯可以發揮作用。石墨烯是導體，可以支持表面等離子體傳播。不過石墨烯并不是金屬，它實際上是一種半導體，像硅一樣。石墨烯與硅有一個不同的地方，那就是自由移動的電子與受到原子限制的電子之間的能隙；石墨烯的能隙基本上等于零，而硅約為1伏特。當我們將電場應用于石墨烯，額外能量會讓更多的電子變成導電狀態，這樣就可以提高等離子體的移動速度。

要讓效果完全發揮出來，石墨烯不能受到外部世界的打擾。如果你只是在任意舊表面上覆蓋一層石墨烯，表面等離子體會幅射到表面內，然后逃離出去。這樣一來，你想調節相位，但是找不到可以調節的東西。研究的關鍵正在于此：科學家找到了一種惰性基片（氮化硼），我們可以用基片將石墨烯封裝。成功將石墨烯裝進氮化硼后，研究人員就可以生成表面等離子體，在移相裝置的整個長度上傳輸時損耗很小。

最終結果顯示，裝置的長度約為600nm，但是折射率介于80-160，允許入射光場移動一個完全的周期（也就是相位調整360度）。

因為裝置的“心臟”是石墨烯，光必須擁有更長的波長才能形成等離子體，所以我們這里說的是紅外光，不是可見光。自由空間中的光波波長比整個移相裝置長10倍，真是酷極了。

你可能會感到奇怪，既然裝置連一個波長都不到，你如何完成360度相位轉移呢？答案是這樣的：裝置中的波長是等離子體的波長，而等離子體的波長更短，所以你可以將多個波長放進移相器。因為折射率接近100，波長也就會減少100。這樣一來，整個裝置的長度就會比等離子體的有效波長長很多。

與天線有什么關系？

我是從相控陣天線談起的，通過調節每一個天線單元，我們可以對幅射的相位和振幅進行調節，從而控制幅射圖的形狀和方向。就目前而言，我們已經開發出有效的移相器，至少在紅外領域做到了。裝置并不笨重，相對比較強大。這是不是說紅外相控陣天線即將出現？

我想說“是的”，它已經出現在實驗室中。在移動領域，5G允許我們調節天線幅射的形狀，對方向進行控制，這樣一來，在移動設備與固定天線之間就可以建立高容量連接。這是一個明顯的信號，它告訴我們高容量連接需要對波束進行一定的控制。

多年來，研究人員一直在考慮用自由空間光信號實現高容量數據連接。為了達成目標，我們要對多個激光束進行動態控制。如何做呢？你需要多元光天線，需要控制每一個發射器的相位與振幅。正因如此，這種技術不是無線的下一代，而是下一代的下一代技術。