Pentes de frequência laser Quantum Cascade:a próxima revolução na velocidade WiFi

• Cientistas desenvolveram uma técnica para gerar frequências terahertz por meio de um pente de frequência infravermelha em um laser quântico em cascata.
• Os dados que viajam nesta banda podem se mover centenas de vezes mais rápido que as redes sem fio existentes. 
• Esta é a primeira vez que alguém demonstra que um laser é capaz de atuar como modulador de quadratura. 

Os dados celulares e o tráfego WiFi estão aumentando a um ritmo enorme. Até 2020, haverá mais de 50 bilhões de dispositivos conectados por WiFi em todo o mundo. Mas a velocidade será limitada pela capacidade das redes sem fio, e o tráfego gerado por esses dispositivos poderá levar a gargalos intoleráveis.

O próximo sistema sem fio de 5ª geração é uma solução temporária que será implantada em 2018 e posteriormente. Suas bandas de ondas milimétricas podem lidar com até 20 gigabits de dados por segundo (Gbit/s). No entanto, esta não parece ser uma solução a longo prazo.

Portanto, os cientistas se concentraram na banda submilimétrica do espectro eletromagnético, chamada de frequências terahertz. Os comprimentos de onda na banda terahertz variam de 1 milímetro a 0,1 milímetro; os dados que viajam nesta banda podem se mover cem vezes mais rápido que as redes sem fio existentes.

Comb de frequência infravermelha em uma cascata quântica

Em 2017, pesquisadores da Universidade de Harvard desenvolveram uma técnica de geração de frequências terahertz por meio de um pente de frequência [infravermelho] em um laser quântico em cascata. Agora eles desenvolveram um novo mecanismo de pentes de frequência de laser em cascata quântica que permite que o equipamento atue como um receptor ou transmissor integrado, para codificar dados de maneira eficaz.

Esta técnica converte equipamentos que funcionam em comprimentos de onda ópticos em moduladores avançados em comprimentos de onda de microondas. Isso permite que o dispositivo use a largura de banda da rede com eficiência. Ele transforma completamente a forma como um laser é operado.



O que são pentes de frequência? 

Um pente de frequência óptica é uma fonte de laser cujo espectro contém uma série de linhas de frequência discretas [igualmente espaçadas]. É amplamente utilizado para medir e detectar com precisão diferentes frequências de luz. Ao contrário do laser tradicional – que emite luz de comprimento de onda único – este emite luz em vários comprimentos de onda, simultaneamente.

É conhecido como pente de frequência porque essas luzes de múltiplas frequências são igualmente espaçadas e se assemelham aos dentes de um pente. Atualmente, usamos esses pentes de frequência óptica para quase tudo, desde encontrar exoplanetas distantes até analisar impressões digitais de certas moléculas.

No entanto, a pesquisa não trata da saída óptica do laser. Os cientistas estavam interessados ​​no que está acontecendo dentro da estrutura eletrônica do laser. Eles demonstraram que um laser óptico pode funcionar como um instrumento de micro-ondas.

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

Como funciona?

Crédito da imagem:Jared Sisler/Universidade de Harvard

Os múltiplos comprimentos de onda da luz laser batem juntos para produzir radiação de micro-ondas. A luz presente na cavidade do laser faz com que os elétrons oscilem em diferentes comprimentos de onda de micro-ondas. Esses comprimentos de onda se enquadram no mesmo espectro usado para comunicações. Para codificar dados em um sinal portador, pode-se modular externamente essas oscilações.

Segundo os pesquisadores, ninguém fez isso antes. Esta é a primeira vez que alguém demonstra que um laser é capaz de atuar como modulador de quadratura, o que permite a transferência de 2 dados diferentes ao mesmo tempo usando um canal de frequência.

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Além disso, o sinal sem fio pode ser desacoplado no espaço livre através da integração de antenas no laser. Isso tornaria um laser em cascata quântica um modulador e transmissor monobloco.

Atualmente, as fontes de radiação terahertz têm limitações críticas devido à largura de banda limitada. Esta pesquisa abre um caminho potencial para um novo tipo de mixers de quadratura, que poderia ser facilmente integrado em arquiteturas de comunicação sem fio de próxima geração.