Группе исследователей из Гарвардского университета удалось передать в эфир аудиозапись одного из музыкальных произведений при помощи радиопередатчика, ключевым компонентом которого стал полупроводниковый лазер. Этот лазер используется в качестве источника радиочастотных волн, генератора, помимо этого он же выполняет функции модуляции передаваемых и демодуляции принимаемых сигналов. Данные исследования являются первыми шагами в направлении создания новых типов гибридных электронных фотооптических устройств, которые станут базой работы сверхскоростных систем беспроводной связи, Wi-Fi следующего поколения.
Создание лазерного радиопередатчика стало продолжением работы, выполненной исследователями в 2017 году. Тогда ученые обнаружили, что инфракрасная частотная гребенка, создаваемая квантовым каскадным лазером, может быть использована для производства радиосигналов в терагерцовом диапазоне, субмиллиметровом диапазоне электромагнитного спектра. Сигналы этого диапазона имеют потенциал передачи данных в больших количествах и со скоростями, намного превышающими возможности современных средств беспроводной связи. А в 2018 году ученые нашли, что квантовые каскадные лазеры могут работать одновременно в качестве приемников и передатчиков, весьма эффективно кодируя информацию в излучаемых сигналах.
В отличие от обычных лазеров, которые излучают свет с единственной частотой, лазерные частотные гребенки излучают целый набор фиксированных частот одновременно. Эти фиксированные частоты располагаются равномерно на линии спектра и напоминают зубцы расчески. И если выделить определенные частоты из гребенки, создаваемой лазером, то электроны внутри резонатора лазера начинают колебаться с микроволновыми частотами, находящимися в пределах спектра, который можно использовать для беспроводных коммуникаций.
Как и в традиционных радиопередающих устройствах, в лазерном передатчике используется дипольная антенна. Кодирование передаваемой информации производится при помощи модуляции частотной гребенки. Однако, для приема сигнала в данном случае используется вторая, штыревая антенна, сигнал с которой подается в лазерную частотную гребенку, где производится его фильтрация, выделение и демодуляция. После всего этого сигнал оцифровывается и передается в компьютер для дальнейшей математической обработки.
“Этот лазерный компонент, выполняющий практически все основные функции, может стать частью гибридных интегральных схем, которые будут использоваться в беспроводных коммуникациях следующих поколений” – пишут исследователи, – “Пока что специалисты только мечтают об использовании терагерцовых волн в радиосвязи, но наша работа является первым и большим шагом на пути воплощения этих мечтаний в реальности”.