Quantenkaskadenlaser-Frequenzkämme: Nächste Revolution für WiFi-Geschwindigkeit

Wissenschaftler entwickeln Technik zur Terahertz-Frequenzgenerierung durch Infrarot-Frequenzkamm in Quantenkaskadenlaser. Daten in diesem Band bewegen sich >100x schneller als bestehende Wireless-Netze. Erstmals demonstriert: Laser als Quadraturmodulator fähig.

Hintergrund: Bandbreitenengpässe

Mobilfunk- und WiFi-Traffic wachsen enorm. 2020: >50 Mrd. WiFi-Geräte weltweit. Geschwindigkeit limitiert durch Wireless-Netzkapazität – Traffic führt zu untragbaren Engpässen.

5G (Deployment 2018+) temporäre Lösung: Millimeterwellen bis 20 Gbit/s. Keine Langzeitlösung.

Fokus auf Submillimeter-Band: Terahertz-Frequenzen. Wellenlängen 1 mm bis 0,1 mm; Daten >100x schneller als heutige Wireless-Netze.

Infrarot-Frequenzkamm im Quantenkaskadenlaser

2017: Harvard-Forscher generierten Terahertz-Frequenzen durch Frequenzkamm (Infrarot) in Quantenkaskadenlaser. Neuer Mechanismus: Quantenkaskadenlaser-Frequenzkämme ermöglichen Geräte als integrierte Empfänger/Sender zur effektiven Datencodierung.

Technik konvertiert Geräte bei optischer Wellenlänge zu fortgeschrittenen Modulatoren bei Mikrowellenwellenlängen. Effiziente Netzbandaudnutzung. Transformiert Laser-Betrieb grundlegend.

Was sind Frequenzkämme?

Optischer Frequenzkamm: Laserquelle mit Spektrum aus diskreten, gleichmäßig verteilten Frequenzlinien. Präzise Messung/Detektion unterschiedlicher Lichtfrequenzen. Im Gegensatz zu traditionellem Laser (einzelne Wellenlänge) emittiert dieser Licht bei mehreren Wellenlängen simultan.

"Kamm" weil gleichabständige Frequenzen Kammzähne ähneln. Aktuell genutzt für alles: Exoplanetensuche bis Molekül-Fingerabdruck-Analyse.

Forschung zielt nicht auf optischen Laser-Output. Interesse: Elektronenstruktur im Laser-Inneren. Demonstriert: Optischer Laser kann als Mikrowelleninstrument fungieren.

Funktionsweise

Mehrere Wellenlängen des Laserlichts schlagen zusammen → Mikrowellenstrahlung. Licht im Laserkavität triggert Elektronen zu Oszillation bei verschiedenen Mikrowellenwellenlängen. Diese fallen in Kommunikationsspektrum. Zum Encodieren auf Trägersignal: externe Modulation dieser Oszillationen.

Laut Forschern: Niemand zuvor demonstrierte Laser als Quadraturmodulator – ermöglicht zwei Datenströme gleichzeitig auf einem Frequenzkanal.

Wireless-Signal könnte via integrierte Antennen in Laser auskopplelt werden → Quantenkaskadenlaser als Unibody-Modulator und -Sender.

Aktuelle Terahertz-Strahlungsquellen: kritische Limitierungen durch begrenzte Bandbreite. Forschung eröffnet potenziellen Weg für neue Quadraturmixer, einfach integrierbar in nächste-Generation Wireless-Kommunikationsarchitekturen.