Wi-Fi och mobildatatrafik ökar exponentiellt men, om inte kapaciteten för trådlösa länkar kan ökas, all den trafiken kommer att leda till oacceptabla flaskhalsar.

Kommande 5G-nätverk är en tillfällig fix men inte en långsiktig lösning. För det, forskare har fokuserat på terahertz-frekvenser, submillimetervåglängderna för det elektromagnetiska spektrumet. Data som färdas vid terahertz-frekvenser kan röra sig hundratals gånger snabbare än dagens trådlösa.

Under 2017, forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) upptäckte att en infraröd frekvenskam i en kvantkaskadlaser kunde erbjuda ett nytt sätt att generera terahertz-frekvenser. Nu, dessa forskare har upptäckt ett nytt fenomen med kvantkaskadlaserfrekvenskammar, vilket skulle tillåta dessa enheter att fungera som integrerade sändare eller mottagare som effektivt kan koda information.

Forskningen är publicerad i Optica .

"Detta arbete representerar ett fullständigt paradigmskifte för hur en laser kan användas, sa Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes seniorforskare i elektroteknik och senior författare till artikeln. "Detta nya fenomen förvandlar en laser - en enhet som arbetar vid optiska frekvenser - till en avancerad modulator vid mikrovågsfrekvenser, som har en teknisk betydelse för effektiv användning av bandbredd i kommunikationssystem."

Frekvenskammar används ofta, högprecisionsverktyg för att mäta och detektera olika frekvenser—a.k.a. ljusets färger. Till skillnad från konventionella lasrar, som avger en enda frekvens, dessa lasrar sänder ut flera frekvenser samtidigt, jämnt fördelade för att likna tänderna på en kam. I dag, optiska frekvenskammar används för allt från att mäta fingeravtryck från specifika molekyler till att upptäcka avlägsna exoplaneter.

Denna forskning, dock, var inte intresserad av laserns optiska utgång.

"Vi var intresserade av vad som pågick inuti lasern, i laserns elektronskelett, sa Marco Piccardo, en postdoktor vid SEAS och första författare till uppsatsen. "Vi visade, för första gången, en laser med optiska våglängder fungerar som en mikrovågsanordning."

Inuti lasern, ljusets olika frekvenser slår samman för att generera mikrovågsstrålning. Forskarna upptäckte att ljus inuti laserns hålighet får elektroner att oscillera vid mikrovågsfrekvenser - som ligger inom kommunikationsspektrumet. Dessa svängningar kan externt moduleras för att koda information på en bärvågssignal.

"Denna funktion har aldrig visats i en laser tidigare, ", sa Piccardo. "Vi har visat att lasern kan fungera som en så kallad kvadraturmodulator, tillåter två olika delar av information att skickas samtidigt genom en enda frekvenskanal och successivt hämtas i andra änden av en kommunikationslänk."

"För närvarande, terahertz-källor har allvarliga begränsningar på grund av begränsad bandbredd, " sade Capasso. "Denna upptäckt öppnar upp en helt ny aspekt av frekvenskammar och kan leda, Inom en snar framtid, till en terahertzkälla för trådlös kommunikation."