當(dāng)時(shí)的愛迪生為了推廣他發(fā)明的燈泡，強(qiáng)烈推行已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的直流電供電系統(tǒng)。但是我們知道，電力傳輸?shù)膿p耗和電壓成二次方反比關(guān)系。直流電因?yàn)闆]有有效的直流升壓設(shè)備造成長距離傳送電能損耗巨大，因此使用直流供電的設(shè)備只能在設(shè)備附近單獨(dú)配備一套產(chǎn)生合適直流電壓的電機(jī)和單獨(dú)的輸電網(wǎng)絡(luò)。這造成了當(dāng)時(shí)的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)極其復(fù)雜（1）。后來在西屋電氣創(chuàng)始人喬治·威斯汀豪斯的支持下，威廉·史坦雷在1885年設(shè)計(jì)了首個(gè)可用的交流電變壓器，解決了交流電的變壓問題。幾年后尼古拉·特斯拉發(fā)明了交流電動(dòng)機(jī)，交流電逐漸在遠(yuǎn)距離電力傳輸上占據(jù)成本和效率優(yōu)勢(shì)，直流電傳輸系統(tǒng)就漸漸退出了歷史舞臺(tái)。毫不夸張的說，交流變壓器的發(fā)明直接決定了電流大戰(zhàn)中交流電的勝出。

    1，1890年的紐約街道。因?yàn)椴捎弥绷麟妭鬏?，需要不同的電壓的設(shè)備都有在附近的一套單獨(dú)的發(fā)電機(jī)和輸電電路，造成輸電網(wǎng)絡(luò)極其復(fù)雜。（來源：維基百科）

    我們對(duì)交流變壓器都很熟悉。傳統(tǒng)的交流變壓器（2a）包含兩組數(shù)量不同的線圈。輸入端線圈在交變電流驅(qū)動(dòng)下由法拉第電磁感應(yīng)定律產(chǎn)生出磁感應(yīng)線，并通過導(dǎo)磁體傳遞給接收端的線圈中，產(chǎn)生變化的磁通量，引起感應(yīng)電勢(shì)。通過控制兩端線圈的數(shù)量比，可以將交流電壓升高或者降低。因?yàn)檫@種技術(shù)依賴于時(shí)變場(chǎng)，所以對(duì)直流電電壓變換無能為力。

    對(duì)于直流電，現(xiàn)在所采用的技術(shù)變壓技術(shù)是基于各種各樣的電容電感和三極管電路（2b）。三極管在電路中通過有序的開合將直流電轉(zhuǎn)換成隨時(shí)域有變化的電能，通過電容電感電路實(shí)現(xiàn)低通濾波，就可以在輸出端得到一個(gè)和輸入端電壓不同的直流分量。

    2.各種變壓技術(shù)示意。a,交流電電磁感應(yīng)變壓。b,直流升壓變壓器。c,直流光子變壓器[1]。

    這樣的設(shè)計(jì)雖然巧妙，但是存在很多無法避免的缺點(diǎn)。因?yàn)殡姼泻碗娙菰?，尤其是電感元件，非常難以小型化，這造成直流變壓器的體積通常非常巨大。如果我們打開電腦主機(jī)，里面主板上很多的突起部分都是電容或者電感，它們毫不客氣地占據(jù)了主板上很大的空間。這個(gè)體積問題在像智能手機(jī)等這種寸土寸金的小型電子設(shè)備上更加嚴(yán)重，往往直接影響著這些設(shè)備的厚度。

    另外一個(gè)更加嚴(yán)重的后果是這種技術(shù)帶來的電磁干擾問題。因?yàn)榈屯V波的效率無法達(dá)到百分之百，輸出的直流電壓總是包含著一部分的上下波動(dòng)。這些波動(dòng)直接將一部分電能通過電磁波的形式向外發(fā)射，形成了我們通常所說的電磁干擾。這些電磁干擾在我們身邊無處不在，比如在我們聽歌的時(shí)候，甚至有時(shí)可以聽到因?yàn)殡姶鸥蓴_造成的噪音。電磁干擾的問題在電子元件越來越小的今天更加亟待解決。

    近期，斯坦福大學(xué)范汕洄課題組的趙博博士后和同事提出了一個(gè)新型的基于光子的直流變壓技術(shù)。相比于前面提到的現(xiàn)在流行的直流電轉(zhuǎn)換技術(shù)，新提出的光子變壓器擁有性能高，體積小，重量輕，能量密度大，無噪音等種種優(yōu)點(diǎn)。2c所示是光子變壓器的示意：輸入端連接著一個(gè)光二極管LED,正對(duì)著的輸出端接著數(shù)個(gè)串聯(lián)的光伏電池PV.和a中的交流變壓器類似，光子變壓器將輸入的電能轉(zhuǎn)化成光能，串聯(lián)的光伏電池將這些光子重新轉(zhuǎn)化為電能。在這個(gè)轉(zhuǎn)化過程中，輸入端的電壓和輸出端的電壓的比值可以通過調(diào)整LED和PV的數(shù)量比來任意調(diào)節(jié)。因?yàn)長ED和PV現(xiàn)在都可以做到集成電路里，所以這種光子變壓器可以做到非常小，重量可以非常輕。論文以“High-performancephotonictransformersforDCvoltageconversion”為題，發(fā)表在NatureCommunications上。

    這個(gè)通過光來實(shí)現(xiàn)變壓的方法看似簡單，實(shí)際上有不少難點(diǎn)。其中最大的難點(diǎn)就是效率問題。我們現(xiàn)在用的高效LED照明燈的電能到光能的轉(zhuǎn)換效率大多都在20%以內(nèi)。光子變壓器的輸入端和輸出端有兩次轉(zhuǎn)化，這樣估算下來光子變壓器效率在5%左右，根本無法與現(xiàn)有的直流變壓器技術(shù)（可達(dá)80-90%以上）競爭。這一點(diǎn)也被一些相關(guān)工作從側(cè)面證實(shí)[2]。

    3.a,c空氣作為介質(zhì)的情況下LED和PV之間的光子傳遞模式。b,d高介電常數(shù)材料作為介質(zhì)的情況下LED和PV之間的光子傳遞模式[1]。

    新設(shè)計(jì)的光子變壓器提出了一個(gè)新的思路從根本上解決了這個(gè)難題。之前的問題其實(shí)出在光子在不同媒介中傳遞的效率問題上。如果我們考慮光子在LED和PV之間的傳遞過程。當(dāng)中間是空氣媒介的時(shí)候，光子在LED內(nèi)產(chǎn)生后，必須要通過空氣才能到達(dá)PV。然而空氣中能夠支持的光子傳遞模式有限，大量的在LED中產(chǎn)生的光子被困在LED里無法及時(shí)脫離LED而最終只能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軗p耗。這就是造成效率低下的原因。新設(shè)計(jì)的光子變壓器中，發(fā)明者拋棄了傳統(tǒng)的空氣作為介質(zhì)的傳遞模式，而是采用了高介電常數(shù)的透光介質(zhì)，這樣一來，大量的光子傳遞模式被打開，LED和PV之間的光子傳遞變得暢通無阻，電光轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換的效率都得到了極大的增強(qiáng)。這種效應(yīng)和進(jìn)場(chǎng)的光子隧穿效應(yīng)有著異曲同工之妙，后者經(jīng)常被用到增強(qiáng)輻射傳熱的應(yīng)用之中[3]。

    4.a,基于氮化鎵（GaN）的光子變壓器一體化示設(shè)計(jì)示意。b,在各種程度的內(nèi)在電阻引起的損耗下，光子變壓器的變壓比和變壓效率的變化[1]。

    基于上述的原理，發(fā)明者提出了4中的基于氮化鎵的一體化光子變壓器設(shè)計(jì)。氮化鎵作為一種高性能的半導(dǎo)體，可以極大程度減少電能和光能之間互相轉(zhuǎn)化造成的損耗。氮化鎵PV和LED之間加入了高介電常數(shù)的AlGaN夾層，用來給光子提供足夠的傳遞模式，以提高整體效率。在考慮各種重要的損耗之下，這樣設(shè)計(jì)的氮化鎵光子變壓器的轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到極高的90%左右。而且隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)一步提高，轉(zhuǎn)化效率還可以繼續(xù)得到提升。

    5.a,對(duì)比實(shí)驗(yàn)中所使用的商用直流變壓器和測(cè)試其電磁輻射的天線。b,實(shí)驗(yàn)測(cè)試的商用直流變壓器的電磁輻射。c,概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中樣板電路的設(shè)計(jì)。d,實(shí)驗(yàn)測(cè)試的樣板光子變壓器的電磁輻射。[1]。

    除了效率高，體積小之外，光子變壓器還有一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)，就是它基本上不產(chǎn)生電磁干擾。為了展示這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，發(fā)明者利用市面上現(xiàn)有的中紅外LED和PV設(shè)計(jì)了一個(gè)概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中的電路包含了100個(gè)并聯(lián)的LED和100個(gè)串聯(lián)的PV。發(fā)明者測(cè)試了市面上高性能直流變壓器和光子變壓器所產(chǎn)生的電磁輻射波譜，如所示的商用的直流變壓器的輻射波譜包含了對(duì)應(yīng)于內(nèi)部諧振電路各次諧波的輻射，而且輻射的強(qiáng)度非常高。然而光子變壓器除了熱噪聲之外，沒有任何其他的電磁輻射來源了。值得一提的是實(shí)驗(yàn)中所使用的LED和PV并不是高性能產(chǎn)品（每個(gè)成本大概在0.5元），整個(gè)的樣板電路依然提供了大約40倍的變壓比，這是文獻(xiàn)中基于光子轉(zhuǎn)化方式實(shí)現(xiàn)的最高值。

    總體上說，新提出的光子變壓器設(shè)計(jì)方案使得這個(gè)技術(shù)擁有了諸多現(xiàn)有變壓技術(shù)不具備的優(yōu)點(diǎn)。在未來，可能我們每個(gè)人所攜帶的電子設(shè)備中，醫(yī)療設(shè)備的供電單元里，甚至是我們身體中植入的電子設(shè)備里，都會(huì)有電子變壓器的身影。我們?cè)谙硎芩⌒突耐瑫r(shí)，也不用再擔(dān)心任何電磁輻射所帶來的健康問題。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的提高，大面積的光子變壓器或許可以在將來的某一天應(yīng)用到輸電網(wǎng)絡(luò)之中。如果在一個(gè)世紀(jì)多之前就有這樣的技術(shù)，愛迪生就可以讓他喜歡的直流電大展拳腳，那我們現(xiàn)在家里插座輸出的說不定就是直流電了。