Quantum Cascade Laser Frequency Combs: De volgende revolutie in WiFi-snelheid

Wetenschappers ontwikkelden een techniek om terahertz-frequenties te genereren via een infrarood-frequentiekam in een quantum cascade laser. Data die op deze band reist kan meer dan honderd keer zo snel bewegen als bestaande draadloze netwerken. Dit is de eerste keer dat iemand heeft gedemonstreerd dat een laser in staat is om als kwadrature-modulator te fungeren.

Infrarood-frequentiekam in een Quantum Cascade

In 2017 ontwikkelden onderzoekers van Harvard Universiteit een techniek om terahertz-frequenties te genereren via een frequentiekam [infrarood] in een quantum cascade laser. Nu hebben ze een nieuw mechanisme van quantum cascade laser frequency combs ontwikkeld dat apparatuur in staat stelt om als geïntegreerde ontvanger of zender te fungeren, om data effectief te coderen.

Deze techniek converteert apparatuur die functioneert op optische golflengte naar geavanceerde modulators bij golfengtes. Dit stelt het apparaat in staat om netwerkbandbreedte efficiënt te gebruiken. Het transformeert volledig de manier waarop een laser wordt bediend.

Wat zijn frequentiekammen?

Een optische frequentiekam is een laserbron waarvan het spectrum een reeks discrete [gelijkmatig verdeelde] frequentielijnen bevat. Het wordt wijd gebruikt om frequenties van licht precies te meten en te detecteren. In tegenstelling tot traditionele laser – die licht van één enkele golflengte emiteert – emiteert deze licht op meerdere golflengtes, gelijktijdig.

Het heet een frequentiekam omdat deze lichten van meerdere frequenties gelijkmatig verdeeld zijn en lijken op de tanden van een kam. Op dit moment 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 binnenin de elektronenstructuur van de laser gebeurt. Ze hebben gedemonstreerd dat een optische laser kan functioneren als een microgolfinstrument.

Hoe werkt het?

De meerdere golflengtes van laserlicht kloppen samen om microgolfstraling te produceren. Het licht in de lasercaviteit zorgt ervoor dat elektronen oscilleren op verschillende microgolflengtes. Deze golflengtes vallen onder hetzelfde spectrum dat voor communicaties gebruikt wordt. Om data op een draagolf te coderen, kan men deze oscillaties extern moduleren.

Volgens de onderzoekers heeft niemand dit eerder gedaan. Dit is de eerste keer dat iemand heeft gedemonstreerd dat een laser in staat is om als kwadrature-modulator te fungeren, wat 2 verschillende data tegelijkertijd overdraagt via één frequentiekanaal.

Verder kan het draadloze signaal uitgekoppeld worden in vrije ruimte door antennes in de laser te integreren. Dit zou een quantum cascade laser een unibody-modulator en zender maken.

Op dit moment hebben terahertz-stralingsbronnen kritieke beperkingen vanwege beperkte bandbreedte. Dit onderzoek opent een potentiële route voor een nieuw type kwadrature-mixers, die gemakkelijk geïntegreerd kunnen worden in next-generation draadloze communicatie-architecturen.