Quantum Cascade Laserfrequentiekammen:de volgende revolutie in WiFi-snelheid

• Wetenschappers hebben een techniek ontwikkeld om terahertz-frequenties te genereren via een infraroodfrequentiekam in een kwantumcascadelaser.
• Gegevens die via deze band reizen, kunnen meer dan honderd keer zo snel bewegen als bestaande draadloze netwerken. 
• Dit is de eerste keer dat iemand heeft aangetoond dat een laser als kwadratuurmodulator kan fungeren. 

Het mobiele data- en WiFi-verkeer neemt enorm toe. In 2020 zullen er wereldwijd ruim 50 miljard met WiFi verbonden apparaten zijn. Maar de snelheid zal worden beperkt door de capaciteit van draadloze netwerken, en het verkeer dat door deze apparaten wordt gegenereerd, kan tot ondraaglijke knelpunten leiden.

Het komende draadloze systeem van de 5e generatie is een tijdelijke oplossing die in 2018 en later zal worden geïmplementeerd. De millimetergolfbanden kunnen tot 20 gigabits aan gegevens per seconde (Gbit/s) verwerken. Dit lijkt echter geen langetermijnoplossing.

Daarom hebben wetenschappers zich geconcentreerd op de submillimeterband van het elektromagnetische spectrum, de zogenaamde terahertz-frequenties. Golflengten in de terahertz-band variëren van 1 millimeter tot 0,1 millimeter; gegevens die op deze band reizen, kunnen meer dan honderd keer zo snel bewegen als bestaande draadloze netwerken.

Infraroodfrequentiekam in een kwantumcascade

In 2017 ontwikkelden onderzoekers van de Harvard University een techniek om terahertz-frequenties te genereren via een frequentiekam [infrarood] in een kwantumcascadelaser. Nu hebben ze een nieuw mechanisme van kwantumcascade-laserfrequentiekammen ontwikkeld waarmee apparatuur kan fungeren als een geïntegreerde ontvanger of zender, om gegevens effectief te coderen.

Deze techniek zet apparatuur die op optische golflengte functioneert, om in geavanceerde modulatoren op microgolfgolflengten. Hierdoor kan het apparaat de netwerkbandbreedte efficiënt gebruiken. Het transformeert de manier waarop een laser wordt bediend volledig.

Wat zijn frequentiekammen? 

Een optische frequentiekam is een laserbron waarvan het spectrum een reeks discrete [gelijkmatig verdeelde] frequentielijnen bevat. Het wordt veel gebruikt om verschillende lichtfrequenties nauwkeurig te meten en te detecteren. In tegenstelling tot de traditionele laser, die licht van één golflengte uitzendt, zendt deze tegelijkertijd licht uit op meerdere golflengten.

Het staat bekend als een frequentiekam omdat deze lichten met meerdere frequenties op gelijke afstand van elkaar staan en op de tanden van een kam lijken. Momenteel gebruiken we deze optische frequentiekammen voor bijna alles, van het vinden van verre exoplaneten tot het analyseren van vingerafdrukken van bepaalde moleculen.

Het onderzoek gaat echter niet over de optische output van de laser. Wetenschappers waren geïnteresseerd in wat er gebeurt in de elektronenstructuur van de laser. Ze hebben aangetoond dat een optische laser kan functioneren als een microgolfinstrument.

Referentie:OSAPublishing | doi:10.1364/OPTICA.5.000475 | Harvard

Hoe werkt het?

Afbeelding tegoed:Jared Sisler / Harvard University

De meerdere golflengten van laserlicht slaan samen om microgolfstraling te produceren. Het licht dat in de laserholte aanwezig is, zorgt ervoor dat de elektronen op verschillende microgolfgolflengten gaan oscilleren. Deze golflengten vallen onder hetzelfde spectrum dat wordt gebruikt voor communicatie. Om gegevens op een draaggolfsignaal te coderen, zou men deze oscillaties extern kunnen moduleren.

Volgens de onderzoekers heeft niemand dit eerder gedaan. Dit is de eerste keer dat iemand heeft aangetoond dat een laser kan fungeren als kwadratuurmodulator, waardoor twee verschillende gegevens tegelijkertijd kunnen worden overgedragen via één frequentiekanaal.

Lees:NASA gaat disruptietolerante netwerken gebruiken voor ruimtecommunicatie

Bovendien kan het draadloze signaal naar de vrije ruimte worden gekoppeld door antennes in de laser te integreren. Dit zou van een kwantumcascadelaser een unibody-modulator en -zender maken.

Momenteel hebben de bronnen van terahertzstraling kritische beperkingen vanwege de beperkte bandbreedte. Dit onderzoek opent een potentiële route voor een nieuw type kwadratuurmixers, die gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd in draadloze communicatie-architecturen van de volgende generatie.