新型高性能光子直流变压器作为很多其他能量形式转化的

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作为很多其他能量形式转化的目的地，电能已经以一种前所未有的方式改变了我们的生活。现如今，大部分的远距离传输都使用交流电。然而在大约一个世纪之前的1880年代，电力传输系统还在直流电和交流电之间做着艰难的选择---俗称的电流大战。
当时的爱迪生为了推广他发明的灯泡，强烈推行已经发现的直流电供电系统。但是我们知道，电力传输的损耗和电压成二次方反比关系。直流电因为没有有效的直流升压设备造成长距离传送电能损耗巨大，因此使用直流供电的设备只能在设备附近单独配备一套产生合适直流电压的电机和单独的输电网络。这造成了当时的电力传输网络极其复杂（图1）。后来在西屋电气创始人乔治·威斯汀豪斯的支持下，威廉·史坦雷在1885年设计了首个可用的交流电变压器，解决了交流电的变压问题。几年后尼古拉·特斯拉发明了交流电动机，交流电逐渐在远距离电力传输上占据成本和效率优势，直流电传输系统就渐渐退出了历史舞台。毫不夸张的说，交流变压器的发明直接决定了电流大战中交流电的胜出。

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图1 ， 1890年的纽约街道。因为采用直流电传输，需要不同的电压的设备都有在附近的一套单独的发电机和输电电路，造成输电网络极其复杂。（图片来源：维基百科）
我们对交流变压器都很熟悉。传统的交流变压器（图2a）包含两组数量不同的线圈。输入端线圈在交变电流驱动下由法拉第电磁感应定律产生出磁感应线，并通过导磁体传递给接收端的线圈中，产生变化的磁通量，引起感应电势。通过控制两端线圈的数量比，可以将交流电压升高或者降低。因为这种技术依赖于时变场，所以对直流电电压变换无能为力。
对于直流电，现在所采用的技术变压技术是基于各种各样的电容电感和三极管电路（图2b）。三极管在电路中通过有序的开合将直流电转换成随时域有变化的电能，通过电容电感电路实现低通滤波，就可以在输出端得到一个和输入端电压不同的直流分量。

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图2. 各种变压技术示意图。a, 交流电电磁感应变压。b,直流升压变压器。c, 直流光子变压器[1] 。
这样的设计虽然巧妙，但是存在很多无法避免的缺点。因为电感和电容元件，尤其是电感元件，非常难以小型化，这造成直流变压器的体积通常非常巨大。如果我们打开电脑主机，里面主板上很多的突起部分都是电容或者电感，它们毫不客气地占据了主板上很大的空间。这个体积问题在像智能手机等这种寸土寸金的小型电子设备上更加严重，往往直接影响着这些设备的厚度。
另外一个更加严重的后果是这种技术带来的电磁干扰问题。因为低通滤波的效率无法达到百分之百，输出的直流电压总是包含着一部分的上下波动。这些波动直接将一部分电能通过电磁波的形式向外发射，形成了我们通常所说的电磁干扰。这些电磁干扰在我们身边无处不在，比如在我们听歌的时候，甚至有时可以听到因为电磁干扰造成的噪音。电磁干扰的问题在电子元件越来越小的今天更加亟待解决。
近期，斯坦福大学范汕洄课题组的赵博博士后和同事提出了一个新型的基于光子的直流变压技术。相比于前面提到的现在流行的直流电转换技术，新提出的光子变压器拥有性能高，体积小，重量轻，能量密度大，无噪音等种种优点。图2c所示是光子变压器的示意图：输入端连接着一个光二极管LED,正对着的输出端接着数个串联的光伏电池PV. 和a中的交流变压器类似，光子变压器将输入的电能转化成光能，串联的光伏电池将这些光子重新转化为电能。在这个转化过程中，输入端的电压和输出端的电压的比值可以通过调整LED和PV的数量比来任意调节。因为LED和PV现在都可以做到集成电路里，所以这种光子变压器可以做到非常小，重量可以非常轻。论文以“High-performance photonic transformers for DC voltage conversion”为题，发表在Nature Communications上。