Quantenkaskadenlaser-Frequenzkämme:Die nächste Revolution in der WLAN-Geschwindigkeit

• Wissenschaftler haben eine Technik entwickelt, um Terahertz-Frequenzen durch einen Infrarot-Frequenzkamm in einem Quantenkaskadenlaser zu erzeugen.
• Daten, die auf diesem Band übertragen werden, können mehr als hundertmal so schnell übertragen werden wie bestehende drahtlose Netzwerke. 
• Dies ist das erste Mal, dass jemand gezeigt hat, dass ein Laser als Quadraturmodulator fungieren kann. 

Der Mobilfunkdaten- und WLAN-Verkehr nimmt enorm zu. Bis 2020 wird es weltweit mehr als 50 Milliarden Geräte geben, die über WLAN verbunden sind. Allerdings wird die Geschwindigkeit durch die Kapazität drahtloser Netzwerke begrenzt und der von diesen Geräten erzeugte Datenverkehr kann zu untragbaren Engpässen führen.

Das kommende drahtlose System der 5. Generation ist eine vorübergehende Lösung, die 2018 und später eingeführt wird. Seine Millimeterwellenbänder können bis zu 20 Gigabit Daten pro Sekunde (Gbit/s) verarbeiten. Dies scheint jedoch keine langfristige Lösung zu sein.

Daher haben sich Wissenschaftler auf das Submillimeterband des elektromagnetischen Spektrums konzentriert, die sogenannten Terahertz-Frequenzen. Wellenlängen im Terahertz-Band reichen von 1 Millimeter bis 0,1 Millimeter; Daten, die auf diesem Band übertragen werden, können mehr als hundertmal so schnell übertragen werden wie bestehende drahtlose Netzwerke.

Infrarot-Frequenzkamm in einer Quantenkaskade

Im Jahr 2017 entwickelten Forscher der Harvard University eine Technik zur Erzeugung von Terahertz-Frequenzen durch einen Frequenzkamm [Infrarot] in einem Quantenkaskadenlaser. Jetzt haben sie einen neuen Mechanismus von Quantenkaskadenlaser-Frequenzkämmen entwickelt, der es Geräten ermöglicht, als integrierter Empfänger oder Sender zu fungieren und Daten effektiv zu kodieren.

Diese Technik wandelt Geräte, die bei optischen Wellenlängen funktionieren, in fortschrittliche Modulatoren bei Mikrowellenwellenlängen um. Dadurch kann das Gerät die Netzwerkbandbreite effizient nutzen. Es verändert die Art und Weise, wie ein Laser betrieben wird, völlig.

Was sind Frequenzkämme? 

Ein optischer Frequenzkamm ist eine Laserquelle, deren Spektrum eine Reihe diskreter [gleichmäßig verteilter] Frequenzlinien enthält. Es wird häufig zur präzisen Messung und Erkennung verschiedener Lichtfrequenzen eingesetzt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lasern, die Licht mit einer einzigen Wellenlänge aussenden, strahlt dieser Laser gleichzeitig Licht mit mehreren Wellenlängen aus.

Es wird als Frequenzkamm bezeichnet, da diese Lichter mit mehreren Frequenzen gleichmäßig verteilt sind und den Zähnen eines Kamms ähneln. Derzeit nutzen wir diese optischen Frequenzkämme für fast alles, von der Suche nach entfernten Exoplaneten bis hin zur Analyse von Fingerabdrücken bestimmter Moleküle.

Bei der Forschung geht es jedoch nicht um die optische Leistung des Lasers. Wissenschaftler interessierten sich dafür, was in der Elektronenstruktur des Lasers vor sich geht. Sie haben gezeigt, dass ein optischer Laser als Mikrowelleninstrument fungieren kann.

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

Wie funktioniert es?

Bildnachweis:Jared Sisler / Harvard University

Die verschiedenen Wellenlängen des Laserlichts schlagen zusammen und erzeugen Mikrowellenstrahlung. Das in der Laserkavität vorhandene Licht regt die Elektronen dazu an, bei verschiedenen Mikrowellenwellenlängen zu schwingen. Diese Wellenlängen fallen unter dasselbe Spektrum, das für die Kommunikation verwendet wird. Um Daten auf ein Trägersignal zu kodieren, könnte man diese Schwingungen extern modulieren.

Den Forschern zufolge hat dies noch niemand zuvor getan. Dies ist das erste Mal, dass jemand gezeigt hat, dass ein Laser als Quadraturmodulator fungieren kann, wodurch zwei verschiedene Daten gleichzeitig über einen Frequenzkanal übertragen werden können.

Lesen Sie:Die NASA wird störungstolerante Netzwerke für die Weltraumkommunikation nutzen

Darüber hinaus könnte durch die Integration von Antennen in den Laser das Funksignal in den freien Raum ausgekoppelt werden. Dies würde einen Quantenkaskadenlaser zu einem Unikörper-Modulator und Sender machen.

Derzeit unterliegen die Quellen der Terahertz-Strahlung aufgrund der begrenzten Bandbreite kritischen Einschränkungen. Diese Forschung eröffnet einen potenziellen Weg für einen neuen Typ von Quadraturmischern, der problemlos in drahtlose Kommunikationsarchitekturen der nächsten Generation integriert werden könnte.