導(dǎo)讀

據(jù)美國(guó)哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校研究人員首次將激光器作為射頻發(fā)射器使用，無(wú)線地傳送了著名歌手迪恩·馬丁的經(jīng)典歌曲《Volare》。

背景

激光，是20世紀(jì)人類最重大的發(fā)明之一。與普通光線相比，激光具有單色性好，亮度高，方向性好等優(yōu)勢(shì)，因此也被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”。


激光的產(chǎn)生離不開(kāi)激光器。激光器有許多種，例如固體激光器、液體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器等。其中，半導(dǎo)體激光器是最實(shí)用最重要的一類激光器。它又稱激光二極管，是用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器。


封裝好的半導(dǎo)體激光二極管（圖片來(lái)源：維基百科）


激光二極管芯片（圖片來(lái)源：維基百科）

半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性高、能耗低、電光轉(zhuǎn)換效率高、易于大規(guī)模生產(chǎn)以及價(jià)格較低廉等優(yōu)點(diǎn)。

創(chuàng)新

近日，哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的研究人員們通過(guò)半導(dǎo)體激光器無(wú)線地傳送了著名歌手迪恩·馬丁（Dean Martin）的經(jīng)典歌曲《Volare》。這是首次將激光器作為射頻發(fā)射器使用。

在一篇發(fā)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激光器無(wú)線地發(fā)射微波，調(diào)制它們，并接收外部射頻信號(hào)。


SEAS 應(yīng)用物理教授、電氣工程高級(jí)研究員、論文高級(jí)作者費(fèi)德里科·卡帕索（Federico Capasso）表示：“這項(xiàng)研究為新型混合電子光子器件打開(kāi)了大門(mén)，并且也是朝著超高速Wi-Fi邁出的第一步。”

技術(shù)

這項(xiàng)研究建立在卡帕索實(shí)驗(yàn)室之前的工作基礎(chǔ)上。2017年，研究人員們發(fā)現(xiàn)，量子級(jí)聯(lián)激光器中的紅外線頻率梳可用于產(chǎn)生太赫茲頻率。它處于電磁頻譜的亞毫米波段，比當(dāng)今的無(wú)線平臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)的速度快幾百倍。


2018年團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，量子級(jí)聯(lián)激光器頻率梳也可作為集成化的發(fā)射器或者接收器，來(lái)有效地編碼信息。


現(xiàn)在，研究人員們找到了一條通過(guò)激光頻率梳來(lái)提取和傳輸無(wú)線信號(hào)的途徑。

不同于發(fā)出單頻光的傳統(tǒng)激光器，激光頻率梳可同時(shí)發(fā)出多個(gè)頻率的光線。這些光線之間的間隔均勻，看起來(lái)就像梳齒一樣。2018年，研究人員們發(fā)現(xiàn)，在激光器內(nèi)部，不同頻率的光線結(jié)合到一起產(chǎn)生了微波輻射。激光器腔體內(nèi)部的光線，使得電子在微波頻率下振蕩，而這些頻率處于通信頻譜范圍之內(nèi)。

SEAS 博士后研究員、論文第一作者馬可·皮卡爾多（Marco Piccardo）表示：“如果想要將這個(gè)設(shè)備用于Wi-Fi，你就要能將有用的信息放到微波信號(hào)中，并且提取來(lái)自該設(shè)備的有用信息。”

為了發(fā)射微波信號(hào)，該設(shè)備所需的第一個(gè)東西就是天線。所以，研究人員們?cè)谠O(shè)備的頂部電極上蝕刻出一個(gè)缺口，創(chuàng)造出一個(gè)偶極子天線（就像老式電視頂部的“兔子耳朵”）。接下來(lái)，他們調(diào)制頻率梳，在微波輻射上編碼信息，這些微波輻射由光梳的光線結(jié)合而成。

然后，他們采用天線將微波從設(shè)備中發(fā)射出去，其中含有編碼過(guò)的信息，再通過(guò)一個(gè)喇叭天線接收這個(gè)無(wú)線電信號(hào)，過(guò)濾信號(hào)并發(fā)送至計(jì)算機(jī)。

研究人員也演示了激光器收音機(jī)可以接收信號(hào)。團(tuán)隊(duì)可通過(guò)來(lái)自另一個(gè)設(shè)備的微波信號(hào)遠(yuǎn)程控制激光器的表現(xiàn)。

價(jià)值

皮卡爾多表示：“這種多功能一體化的集成設(shè)備非常適合未來(lái)的無(wú)線通信。雖然要實(shí)現(xiàn)太赫茲無(wú)線通信的夢(mèng)想還有一段路要走，但是這項(xiàng)研究為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)提供了一幅清晰的路線圖。”

關(guān)鍵字

通信、微波、激光、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