Laser können jetzt Mikrowellen aussenden und externe Hochfrequenzsignale empfangen

• Wissenschaftler senden und empfangen Informationen über Halbleiterlaser.
• Diese Forschung könnte bei der Entwicklung hybrider elektronisch-phonischer Geräte sowie von Ultrahochgeschwindigkeits-WLAN helfen.

Kohärente Lichtquellen wie Halbleiterlaser können ein Spektrum erzeugen, das gleichmäßig beabstandete, diskrete Frequenzen von Linien enthält. Viele Frequenzkammanwendungen, einschließlich Messtechnik und Spektroskopie, verwenden direkt die Leistung dieser Laser. Bei der Mikrowellenphotonik wird die Ausgabe des Frequenzkamms an einen schnellen Fotodetektor übertragen und zur Erzeugung von Mikrowellen verwendet.

2017 fand ein Forschungsteam der Harvard University heraus, dass Terahertz-Frequenzen über einen Infrarot-Frequenzkamm in einem Quantenkaskaden-Laser erzeugt werden können. Im Jahr 2018 entdeckten sie, dass diese Frequenzkämme auch als integrierter Empfänger oder Sender fungieren können, um Daten effizient zu kodieren.

Jetzt haben sie eine Methode gefunden, die drahtlose Signale aus Quantenkaskaden-Laserfrequenzkämmen extrahieren und senden kann. In dieser Arbeit konnten sie einen Laser demonstrieren, der drahtlos Mikrowellen emittieren und modulieren sowie Signale mit Radiofrequenzen empfangen kann. Die Ergebnisse könnten bei der Entwicklung hybrider elektronisch-phonischer Geräte sowie von Ultrahochgeschwindigkeits-WLAN helfen.

Wie funktioniert es?

Herkömmliche Laser emittieren Licht derselben Frequenz, wohingegen Laserfrequenzkämme in der Lage sind, mehrere Frequenzen gleichzeitig auszustoßen. Diese Frequenzen sind gleichmäßig verteilt und ähneln den Zähnen eines Kamms.

Innerhalb des Lasers schlagen verschiedene Frequenzen zusammen, um Mikrowellenstrahlung zu erzeugen. Das Licht in der Laserkavität bewirkt, dass Elektronen mit Frequenzen schwingen, die innerhalb des Kommunikationsspektrums liegen.

Referenz:PNAS | DOI:10.1073/pnas.1903534116 | Harvard SEAS

Das Team entwickelte ein neues Gerät, das Daten in die Mikrowellensignale einbringen und drahtlos übertragen kann. Dazu erstellten sie eine Dipolantenne, indem sie eine Lücke in die obere Elektrode des Geräts ätzten.

Das Gerät sendet und moduliert drahtlos Mikrowellen mithilfe eines Frequenzkamms. Die vom Laser ausgestoßenen „Beats“ ähneln einem Gemälde (rechts). | Mit freundlicher Genehmigung von Marco Piccardo / Harvard SEAS

Um Daten über die Mikrowellenstrahlung zu kodieren, modulierten die Forscher den Frequenzkamm. Die Strahlung wird vom Gerät durch die Dipolantenne ausgesendet. Eine Hornantenne empfängt dann das Funksignal, das schließlich gefiltert und an den Computer übertragen wird.

Das Laserradio kann auch Signale empfangen. Um dies zu demonstrieren, kontrollierten die Forscher das Laserverhalten drahtlos mit Signalen von einem anderen Gerät. Sie haben ein Lied drahtlos an einen Empfänger gesendet.

Referenz:Unter welchen Bedingungen qualifizieren sich Nanolaser als echte Laser?

Insgesamt könnte die Technologie für die zukünftige drahtlose Kommunikation äußerst nützlich sein. Obwohl wir noch weit davon entfernt sind, eine drahtlose Terahertz-Kommunikation zu erreichen, bietet diese Arbeit eine großartige Roadmap, die erklärt, wie man dorthin gelangt.