导读

据美国哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院官网近日报道，该校研究人员首次将激光器作为射频发射器使用，无线地传送了著名歌手迪恩·马丁的经典歌曲《Volare》。

背景

激光，是20世纪人类最重大的发明之一。与普通光线相比，激光具有单色性好，亮度高，方向性好等优势，因此也被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。


激光的产生离不开激光器。激光器有许多种，例如固体激光器、液体激光器、气体激光器、半导体激光器等。其中，半导体激光器是最实用最重要的一类激光器。它又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器。


封装好的半导体激光二极管（图片来源：维基百科）


激光二极管芯片（图片来源：维基百科）

半导体激光器具有体积小、重量轻、寿命长、运转可靠性高、能耗低、电光转换效率高、易于大规模生产以及价格较低廉等优点。

创新

近日，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员们通过半导体激光器无线地传送了著名歌手迪恩·马丁（Dean Martin）的经典歌曲《Volare》。这是首次将激光器作为射频发射器使用。

在一篇发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》期刊上的论文中，研究人员们演示了用激光器无线地发射微波，调制它们，并接收外部射频信号。


SEAS 应用物理教授、电气工程高级研究员、论文高级作者费德里科·卡帕索（Federico Capasso）表示：“这项研究为新型混合电子光子器件打开了大门，并且也是朝着超高速Wi-Fi迈出的第一步。”

技术

这项研究建立在卡帕索实验室之前的工作基础上。2017年，研究人员们发现，量子级联激光器中的红外线频率梳可用于产生太赫兹频率。它处于电磁频谱的亚毫米波段，比当今的无线平台传输数据的速度快几百倍。


2018年团队发现，量子级联激光器频率梳也可作为集成化的发射器或者接收器，来有效地编码信息。


现在，研究人员们找到了一条通过激光频率梳来提取和传输无线信号的途径。

不同于发出单频光的传统激光器，激光频率梳可同时发出多个频率的光线。这些光线之间的间隔均匀，看起来就像梳齿一样。2018年，研究人员们发现，在激光器内部，不同频率的光线结合到一起产生了微波辐射。激光器腔体内部的光线，使得电子在微波频率下振荡，而这些频率处于通信频谱范围之内。

SEAS 博士后研究员、论文第一作者马可·皮卡尔多（Marco Piccardo）表示：“如果想要将这个设备用于Wi-Fi，你就要能将有用的信息放到微波信号中，并且提取来自该设备的有用信息。”

为了发射微波信号，该设备所需的第一个东西就是天线。所以，研究人员们在设备的顶部电极上蚀刻出一个缺口，创造出一个偶极子天线（就像老式电视顶部的“兔子耳朵”）。接下来，他们调制频率梳，在微波辐射上编码信息，这些微波辐射由光梳的光线结合而成。

然后，他们采用天线将微波从设备中发射出去，其中含有编码过的信息，再通过一个喇叭天线接收这个无线电信号，过滤信号并发送至计算机。

研究人员也演示了激光器收音机可以接收信号。团队可通过来自另一个设备的微波信号远程控制激光器的表现。

价值

皮卡尔多表示：“这种多功能一体化的集成设备非常适合未来的无线通信。虽然要实现太赫兹无线通信的梦想还有一段路要走，但是这项研究为实现这个目标提供了一幅清晰的路线图。”

关键字

通信、微波、激光、太赫兹、射频

参考资料

【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