1880年2月，美国发明家亚历山大·格雷厄姆·贝尔在华盛顿的实验室里研制出一种装置，他本人称其为自己最伟大的成就，甚至超过了电话，即“光电话”。贝尔利用光在远距离传输语音的构想，是一项技术的先驱，而现代互联网若没有这项技术便无从设想。
如今，海量数据以光脉冲的形式通过光纤电缆以极快的速度传输。为此，数据必须先从计算机和电话所使用的电信号转换为光信号。在贝尔的时代，将声波转换为调制光的是一面简单而极薄的反射镜。如今的电光调制器虽然更为复杂，但与其遥远的前身有一点相同：它们的尺寸仍有数厘米，相比之下，电子器件可以小至几微米，因此调制器仍然相当大。
在科学期刊《Nature Photonics》上发表的一篇开创性论文中，苏黎世联邦理工学院光子学与通信学教授尤尔格·洛伊索尔德（Juerg Leuthold）及其同事现推出一种新型调制器，其体积缩小了百倍，因而可以轻松集成到电子电路中。此外，这种新型调制器比常见型号便宜得多、速度也快得多，且能耗低得多。
等离激元技巧
为实现这一巧妙的效果，由洛伊索尔德及其博士生克里斯蒂安·哈夫纳（Christian Haffner）领导的研究团队（哈夫纳参与了该调制器的研发）采用了一项技术手段。为了制造尽可能小的调制器，他们首先需要将光束聚焦到一个极小的体积内，而该光束的强度正是他们希望加以调制的对象。然而，光学定律规定，这样的体积不可能小于光本身的波长。现代电信使用波长为1.5微米的激光，因此这一波长相应地成为调制器尺寸的下限。
为突破这一极限并使器件进一步缩小，光首先被转换为所谓的表面等离极化激元（surface-plasmon-polaritons）。等离极化激元是电磁场与电子的结合体，沿金属条带表面传播。在条带末端，它们又被重新转换为光。这一迂回路径的优势在于，等离极化激元可以被束缚在比其源光小得多的空间内。
折射率由外部改变
为了控制从器件射出的光功率，从而产生数据传输所需的脉冲，研究人员采用了干涉仪的工作原理。例如，激光束可以经分束器分成两臂，再经合束器重新合并。随后，光波相互叠加（即发生“干涉”），并根据干涉仪两臂中各自相位的相对状态相互增强或减弱。相位变化可由折射率的差异引起，而折射率决定了波的速度。若其中一臂包含一种折射率可从外部改变的材料，则两束波的相对相位即可受到控制，干涉仪也就可以用作光调制器。
在苏黎世联邦理工学院研究人员开发的调制器中，穿过仅半微米宽干涉仪的并非光束，而是等离极化激元。通过施加电压，可以改变干涉仪一臂中的折射率，进而改变该臂中等离极化激元的速度，这反过来又会改变其在出口处的振荡幅度。此后，等离极化激元被重新转换为光，并被导入光纤电缆以进行后续传输。
以更少能耗实现更快通信
洛伊索尔德及其同事打造的这款调制器同时具备多项优势。“它极其小巧简单，而且还是迄今为止造价最低的调制器”，洛伊索尔德解释道。的确如此，它十分简单：由覆盖在玻璃上、厚度仅150纳米的金层，以及一种有机材料构成，该有机材料的折射率在施加电压时发生变化，从而调制干涉仪内的等离极化激元。由于这种调制器远小于传统器件，其能耗极低，在70吉比特每秒的数据传输速率下，功耗仅为千分之几瓦。这仅相当于商用型号能耗的百分之一。
从这个意义上说，它有助于环境保护，因为全球用于数据传输的能耗相当可观，毕竟每一条光纤线路中都有调制器。每年需要以越来越快的速度传输的数据量不断增加，这导致能耗持续上升。因此，实现百倍节能将备受欢迎。“我们的调制器以更少的能耗实现了更多的通信”，这位苏黎世联邦理工学院教授如此概括。目前，该调制器的可靠性正在进行长期试验，这是使其适用于商业应用的关键一步。
本文与 苏黎世。 发表本文并不意味着世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Oliver Morsch 是苏黎世联邦理工学院的特约撰稿人。
图片：2007年1月9日，一片12英寸晶圆在台湾新竹（Xinchu）的台积电（TSMC）展示。路透社/Richard Chung。
