Wi-Fi en mobiel dataverkeer nemen exponentieel toe, maar tenzij de capaciteit van draadloze verbindingen kan worden vergroot, al dat verkeer zal ongetwijfeld tot onaanvaardbare knelpunten leiden.

Aankomende 5G-netwerken zijn een tijdelijke oplossing, maar geen oplossing voor de lange termijn. Daarom, onderzoekers hebben zich gericht op terahertz-frequenties, de submillimetergolflengten van het elektromagnetische spectrum. Gegevens die op terahertz-frequenties reizen, kunnen honderden keren sneller worden verplaatst dan de huidige draadloze netwerken.

in 2017, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ontdekten dat een infraroodfrequentiekam in een kwantumcascadelaser een nieuwe manier zou kunnen bieden om terahertz-frequenties te genereren. Nutsvoorzieningen, die onderzoekers hebben een nieuw fenomeen ontdekt van kwantumcascadelaserfrequentiekammen, waardoor deze apparaten kunnen fungeren als geïntegreerde zenders of ontvangers die informatie efficiënt kunnen coderen.

Het onderzoek is gepubliceerd in optiek .

"Dit werk vertegenwoordigt een complete paradigmaverschuiving voor de manier waarop een laser kan worden bediend, " zei Federico Capasso, de Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering en senior auteur van het artikel. "Dit nieuwe fenomeen transformeert een laser - een apparaat dat werkt op optische frequenties - in een geavanceerde modulator op microgolffrequenties, die een technologische betekenis heeft voor een efficiënt gebruik van bandbreedte in communicatiesystemen."

Frequentiekammen worden veel gebruikt, zeer nauwkeurige instrumenten voor het meten en detecteren van verschillende frequenties, ook wel bekend als kleuren - van licht. In tegenstelling tot conventionele lasers, die een enkele frequentie uitzenden, deze lasers zenden meerdere frequenties tegelijk uit, gelijkmatig verdeeld om op de tanden van een kam te lijken. Vandaag, optische frequentiekammen worden voor alles gebruikt, van het meten van de vingerafdrukken van specifieke moleculen tot het detecteren van verre exoplaneten.

Dit onderzoek, echter, was niet geïnteresseerd in de optische output van de laser.

"We waren geïnteresseerd in wat er in de laser gebeurde, in het elektronenskelet van de laser, " zei Marco Piccardo, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en eerste auteur van het artikel. "Wij lieten zien, Voor de eerste keer, een laser op optische golflengten werkt als een microgolfapparaat."

Binnen de laser, de verschillende frequenties van licht slaan samen om microgolfstraling te genereren. De onderzoekers ontdekten dat licht in de holte van de laser ervoor zorgt dat elektronen oscilleren op microgolffrequenties - die binnen het communicatiespectrum vallen. Deze oscillaties kunnen extern worden gemoduleerd om informatie op een draaggolfsignaal te coderen.

"Deze functionaliteit is nog nooit eerder in een laser gedemonstreerd, " zei Piccardo. "We hebben aangetoond dat de laser kan werken als een zogenaamde kwadratuurmodulator, waardoor twee verschillende stukjes informatie tegelijkertijd via een enkel frequentiekanaal kunnen worden verzonden en achtereenvolgens worden opgehaald aan het andere uiteinde van een communicatieverbinding."

"Momenteel, terahertz-bronnen hebben ernstige beperkingen vanwege de beperkte bandbreedte, "zei Capasso. "Deze ontdekking opent een geheel nieuw aspect van frequentiekammen en kan leiden, in de nabije toekomst, naar een terahertz-bron voor draadloze communicatie."