首個基於雷射器的射頻發射器:未來將開啟超高速無線通信!

2020-12-04 環球創新智慧

導讀

據美國哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院官網近日報導，該校研究人員首次將雷射器作為射頻發射器使用，無線地傳送了著名歌手迪恩·馬丁的經典歌曲《Volare》。

背景

雷射，是20世紀人類最重大的發明之一。與普通光線相比，雷射具有單色性好，亮度高，方向性好等優勢，因此也被稱為「最快的刀」、「最準的尺」、「最亮的光」。

各種色彩的雷射（圖片來源：維基百科）

雷射的產生離不開雷射器。雷射器有許多種，例如固體雷射器、液體雷射器、氣體雷射器、半導體雷射器等。其中，半導體雷射器是最實用最重要的一類雷射器。它又稱雷射二極體，是用半導體材料作為工作物質的雷射器。

封裝好的半導體雷射二極體（圖片來源：維基百科）

雷射二極體晶片（圖片來源：維基百科）

半導體雷射器具有體積小、重量輕、壽命長、運轉可靠性高、能耗低、電光轉換效率高、易於大規模生產以及價格較低廉等優點。

創新

近日，哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員們通過半導體雷射器無線地傳送了著名歌手迪恩·馬丁（Dean Martin）的經典歌曲《Volare》。這是首次將雷射器作為射頻發射器使用。

在一篇發表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》期刊上的論文中，研究人員們演示了用雷射器無線地發射微波，調製它們，並接收外部射頻信號。

（圖片來源：Marco Piccardo/Harvard SEAS）

SEAS 應用物理教授、電氣工程高級研究員、論文高級作者費德裡科·卡帕索（Federico Capasso）表示：「這項研究為新型混合電子光子器件打開了大門，並且也是朝著超高速Wi-Fi邁出的第一步。」

技術

這項研究建立在卡帕索實驗室之前的工作基礎上。2017年，研究人員們發現，量子級聯雷射器中的紅外線頻率梳可用於產生太赫茲頻率。它處於電磁頻譜的亞毫米波段，比當今的無線平臺傳輸數據的速度快幾百倍。

（圖片來源：Jared Sisler/Havard SEAS）

2018年團隊發現，量子級聯雷射器頻率梳也可作為集成化的發射器或者接收器，來有效地編碼信息。

（圖片來源：Jared Sisler/Havard SEAS）

現在，研究人員們找到了一條通過雷射頻率梳來提取和傳輸無線信號的途徑。

不同於發出單頻光的傳統雷射器，雷射頻率梳可同時發出多個頻率的光線。這些光線之間的間隔均勻，看起來就像梳齒一樣。2018年，研究人員們發現，在雷射器內部，不同頻率的光線結合到一起產生了微波輻射。雷射器腔體內部的光線，使得電子在微波頻率下振蕩，而這些頻率處於通信頻譜範圍之內。

SEAS 博士後研究員、論文第一作者馬可·皮卡爾多（Marco Piccardo）表示：「如果想要將這個設備用於Wi-Fi，你就要能將有用的信息放到微波信號中，並且提取來自該設備的有用信息。」

為了發射微波信號，該設備所需的第一個東西就是天線。所以，研究人員們在設備的頂部電極上蝕刻出一個缺口，創造出一個偶極子天線（就像老式電視頂部的「兔子耳朵」）。接下來，他們調製頻率梳，在微波輻射上編碼信息，這些微波輻射由光梳的光線結合而成。

然後，他們採用天線將微波從設備中發射出去，其中含有編碼過的信息，再通過一個喇叭天線接收這個無線電信號，過濾信號並發送至計算機。

研究人員也演示了雷射器收音機可以接收信號。團隊可通過來自另一個設備的微波信號遠程控制雷射器的表現。

價值

皮卡爾多表示：「這種多功能一體化的集成設備非常適合未來的無線通信。雖然要實現太赫茲無線通信的夢想還有一段路要走，但是這項研究為實現這個目標提供了一幅清晰的路線圖。」

關鍵字

通信、微波、雷射、太赫茲、射頻

參考資料

【1】Marco Piccardo, Michele Tamagnone, Benedikt Schwarz, Paul Chevalier, Noah A. Rubin, Yongrui Wang, Christine A. Wang, Michael K. Connors, Daniel McNulty, Alexey Belyanin, Federico Capasso. Radio frequency transmitter based on a laser frequency comb. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019; 201903534 DOI: 10.1073/pnas.1903534116

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