Квантовые каскадные лазерные частотные гребенки:следующая революция в скорости Wi-Fi

• Ученые разработали метод генерации терагерцовых частот с помощью гребенки инфракрасных частот в квантовом каскадном лазере.
• Данные, передаваемые в этом диапазоне, могут передаваться более чем в сто раз быстрее, чем существующие беспроводные сети. 
• Это первый раз, когда кто-то продемонстрировал, что лазер способен действовать как квадратурный модулятор. 

Сотовые данные и трафик Wi-Fi растут огромными темпами. К 2020 году во всем мире будет более 50 миллиардов устройств, подключенных к Wi-Fi. Но там скорость будет ограничена пропускной способностью беспроводных сетей, а трафик, генерируемый этими устройствами, может привести к невыносимым узким местам.

Будущая беспроводная система 5-го поколения — это временное решение, которое будет развернуто в 2018 году и позже. Его миллиметровые диапазоны волн могут обрабатывать до 20 гигабит данных в секунду (Гбит/с). Однако это не похоже на долгосрочное решение.

Поэтому ученые сосредоточили внимание на субмиллиметровом диапазоне электромагнитного спектра, называемом терагерцовыми частотами. Длины волн в терагерцовом диапазоне составляют от 1 миллиметра до 0,1 миллиметра; данные, передаваемые в этом диапазоне, могут передаваться более чем в сто раз быстрее, чем существующие беспроводные сети.

Комбинация инфракрасных частот в квантовом каскаде

В 2017 году исследователи из Гарвардского университета разработали метод генерации терагерцовых частот с помощью гребенки частот [инфракрасного] в квантовом каскадном лазере. Теперь они разработали новый механизм квантово-каскадной лазерной гребенки частот, который позволяет оборудованию действовать как интегрированный приемник или передатчик для эффективного кодирования данных.

Этот метод преобразует оборудование, работающее на оптических длинах волн, в усовершенствованные модуляторы микроволновых волн. Это позволяет устройству эффективно использовать пропускную способность сети. Это полностью меняет способ работы с лазером.

Что такое гребенки частот? 

Гребенка оптических частот представляет собой источник лазера, спектр которого содержит серию дискретных [равноотстоящих] частотных линий. Он широко используется для точного измерения и обнаружения различных частот света. В отличие от традиционного лазера, который излучает свет одной длины волны, этот излучает свет на нескольких длинах волн одновременно.

Он известен как частотная гребенка, потому что эти огни нескольких частот расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и напоминают зубцы расчески. В настоящее время мы используем эти гребенки оптических частот практически для всего:от поиска далеких экзопланет до анализа отпечатков пальцев определенных молекул.

Однако исследование не касается оптической мощности лазера. Ученых интересовало, что происходит внутри электронной структуры лазера. Они продемонстрировали, что оптический лазер может работать как микроволновый прибор.

Ссылка:OSAPublishing | doi:10.1364/OPTICA.5.000475 | Гарвард 

Как это работает?

Изображение предоставлено:Джаред Сислер / Гарвардский университет

Несколько длин волн лазерного света взаимодействуют друг с другом, создавая микроволновое излучение. Свет, присутствующий в резонаторе лазера, заставляет электроны колебаться на разных длинах волн микроволнового диапазона. Эти длины волн попадают в тот же спектр, который используется для связи. Чтобы закодировать данные в несущий сигнал, можно модулировать эти колебания извне.

По мнению исследователей, раньше этого никто не делал. Впервые кто-то продемонстрировал, что лазер способен действовать как квадратурный модулятор, что позволяет передавать 2 разных данных одновременно, используя один частотный канал.

Читайте:НАСА будет использовать устойчивые к сбоям сети для космической связи

Кроме того, беспроводной сигнал может быть выведен в свободное пространство путем интеграции антенн в лазер. Это сделало бы квантовый каскадный лазер цельным модулятором и передатчиком.

В настоящее время источники терагерцового излучения имеют критические ограничения из-за ограниченной полосы пропускания. Это исследование открывает потенциальный путь к созданию нового типа квадратурных микшеров, которые можно будет легко интегрировать в архитектуры беспроводной связи следующего поколения.