量子カスケード レーザー周波数コム:WiFi 速度の次なる革命

• 科学者は、量子カスケード レーザーの赤外線周波数コムを通じてテラヘルツ周波数を生成する技術を開発しました。
• この帯域で伝送されるデータは、既存のワイヤレス ネットワークの 100 倍以上の速度で伝送できます。 
• レーザーが直交変調器として機能できることを実証したのはこれが初めてです。 

携帯電話のデータと WiFi トラフィックは膨大な速度で増加しています。 2020 年までに、世界中で 500 億台以上の WiFi 接続デバイスが存在すると予想されます。ただし、速度はワイヤレス ネットワークの容量によって制限され、これらのデバイスによって生成されるトラフィックによって耐えられないボトルネックが発生する可能性があります。

今後の第 5 世代無線システムは、2018 年以降に導入される暫定的なソリューションです。そのミリ波帯域は、1 秒あたり最大 20 ギガビット (Gbit/s) のデータを処理できます。ただし、これは長期的な解決策とは思えません。

したがって、科学者たちは、テラヘルツ周波数と呼ばれる電磁スペクトルのサブミリ波帯に焦点を当ててきました。テラヘルツ帯域の波長の範囲は1ミリメートルから0.1ミリメートルです。この帯域で伝送されるデータは、既存のワイヤレス ネットワークの 100 倍以上の速度で伝送できます。

量子カスケードにおける赤外線周波数コム

2017年、ハーバード大学の研究者らは、量子カスケードレーザーの周波数コム[赤外線]を通じてテラヘルツ周波数を生成する技術を開発した。現在、彼らは量子カスケード レーザー周波数コムの新しいメカニズムを開発しました。これにより、機器が統合された受信機または送信機として機能し、データを効果的にエンコードできるようになります。

この技術は、光波長で機能する機器をマイクロ波波長の高度な変調器に変換します。これにより、デバイスはネットワーク帯域幅を効率的に使用できるようになります。レーザーの操作方法が完全に変わります。

周波数コムとは何ですか? 

光周波数コムは、スペクトルに一連の離散[等間隔]周波数線が含まれるレーザー源です。さまざまな周波数の光を正確に測定および検出するために広く使用されています。単一波長の光を放射する従来のレーザーとは異なり、このレーザーは複数の波長の光を同時に放射します。

これらの複数の周波数の光が等間隔に配置され、櫛の歯に似ているため、周波数コムとして知られています。現在、私たちはこれらの光周波数コムを、遠く離れた系外惑星の発見から特定の分子の指紋の分析まで、ほぼあらゆる用途に使用しています。

ただし、この研究はレーザーの光出力に関するものではありません。科学者たちは、レーザーの電子構造の内部で何が起こっているのかに興味を持っていました。 彼らは、光学レーザーがマイクロ波機器として機能できることを実証しました。

参照:OSAPublishing |土井:10.1364/OPTICA.5.000475 |ハーバード大学

仕組みは?

画像クレジット:Jared Sisler / ハーバード大学

レーザー光の複数の波長が一緒にビートしてマイクロ波放射を生成します。レーザーキャビティ内に存在する光は、電子をさまざまなマイクロ波波長で発振させます。これらの波長は、通信に使用されるのと同じスペクトルに分類されます。データを搬送波信号にエンコードするには、これらの発振を外部で変調することができます。

研究者らによると、これまで誰もこれをやったことがないそうです。レーザーが直交変調器として機能し、1 つの周波数チャネルを使用して 2 つの異なるデータを同時に転送できることを実証したのはこれが初めてです。

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さらに、レーザーにアンテナを組み込むことで、無線信号を自由空間に取り出すことができます。これにより、量子カスケード レーザーは一体型の変調器と送信機になります。

現時点では、帯域幅が限られているため、テラヘルツ放射線源には重大な制限があります。 この研究は、次世代の無線通信アーキテクチャに簡単に統合できる、新しいタイプの直交ミキサーの潜在的な道を切り開きます。