Частотні гребінці примушують лазер генерувати-приймати РЧ сигнал

14.06.2019

Дослідники змішували два оптичні спектри лазерного гребінця і модулювали результат, потім випромінювали цю енергію через інтегровану дипольну антену, щоб створити радіочастотний (РЧ) сигнал в діапазоні 5 ГГц.

Автор Геіл Овертон

У роботі, опублікованій в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences з оманливо скромною назвою « Радіочастотний передавач на основі лазерного частотного гребінця», дослідники з Гарвардської школи інженерії та прикладних наук імені Дж. А. Полсона (SEAS; Кембрідж, штат Масачусетс) продемонстрували лазер, який може випромінювати кодовані мікрохвилі як бездротові радіочастотні (РЧ) сигнали, модулювати їх і потім отримувати / демодулювати ці ж мікрохвилі як зовнішні радіочастотні сигнали.

Дослідження щодо таких електро-оптичних пристроїв не є новими для лабораторії на чолі з Федеріко Капассо, який працює як професор прикладної фізики Роберт Л. Уоллес і старший науковий співробітник з електротехніки Вінтон Хейес в SEAS. У 2017 році дослідники лабораторії виявили, що для генерації терагерцових частот можна використовувати гребінець інфрачервоної частоти в квантовому каскадному лазері (ККЛ), а в 2018 році ця команда виявила, що квантово-каскадні лазерні гребінці можуть також виступати в якості інтегрованих передавачів або приймачів для ефективного кодування інформації. Наразі дослідники розробили спосіб виділяти енергію, а потім її передавати як радіосигнали від лазерного частотного гребінця, і навіть виконувати доповнюючу функцію приймача.

Основним будівельним блоком для цього просування вперед є частотний гребінець на базі напівпровідникового ККЛ, структура, у якої вихідний оптичний спектр складається з серії дискретних, рівновіддалених частотних ліній (зауважимо, що Теодор В. Ханш і Джон Л. Холл поділили половину Нобелівської премії 2005 року з фізики за внесок у розробку лазерної прецизійної спектроскопії, включаючи використання частотного оптичного гребінця).

В лазері різні частоти світла пульсують разом, щоб генерувати мікрохвильове випромінювання, що дуже схоже на нелінійне змішування парних сигналів, що широко використовується в електронних системах для передачі аудіо по радіо. Світло всередині резонатора лазера змушує електрони коливатись на мікрохвильових частотах – тут, близько 5 ГГц – які знаходяться в межах стандартного спектру зв'язку, включаючи смугу Wi-Fi.
laser RF signal 2.png

Вони змогли отримати лазерний радіопередавач (ЛРП) для підтримки випромінювання енергії шляхом перепрофілювання верхнього контакту лазера, а потім за допомогою цього внутрішнього осцилюючого струму збуджувати інтегровану дипольну антену, яка випромінювала енергію у простір. Модулюючи струм лазера, вони змогли безпосередньо кодувати аудіосигнал на цей носій.

Звичайно, кожен передавач, щоб бути корисним, потребує приймача, і приймач може мати архітектуру, яка радикально відрізняється від передавача (і бути зовсім незалежним від нього): Подумайте над підходами до суперрегенеративних, супергетеродинних, супергетеродинних з нульовою проміжною частотою, і програмно-визначених радіоприймачів (ПВР), жоден з яких не повинен нагадувати топологію передавача сигналу-джерела. Щоб спочатку перевірити підхід, який забезпечує перетворення оптичного сигналу в радіочастотний, вони отримали сигнал за допомогою рупорної антени, потім відфільтрували і відправили його на ПВР для демодуляції.
laser RF signal 3.png

Однак, було б ще більш привабливим, якщо б електрооптичний передавач міг би використовувати підхід, який враховує додатковий приймач. Команда з Массачусетського технологічного інституту змогла зробити це, використовуючи свою конфігурацію, в якій антена отримувала б радіочастотний сигнал, а потім з’єднувала його з активною областю лазера, а інжекція блокувала лазер . Вони дійсно перевірили цей повний ланцюжок проходження сигналу за допомогою запису легендарного естрадного співака Діна Мартіна, який співав класичну мелодію «Воларе»!

Відступаючи, щоб побачити більш широку перспективу, дослідники відзначили, що лазер можна розглядати як джерело парування двох РЧ джерел, але з протилежними фазами. Верхній електрод цих лазерів зазвичай складається з електрично неперервного металевого контакту, який з'єднує два генератора, попереджаючи випромінювання (наводки) на пристрій.

Тут, однак, вони показали, що, змінюючи геометрію верхнього контактного шару ККЛ, вони могли будувати і подавати сигнал на дипольну антену, вбудовану в чіп, для забезпечення випромінювання радіохвиль у вільний простір. Частоту биття можна налаштувати, модулюючи струм лазера, і таким чином лазер набуває нової і несподіваної ролі як бездротовий радіопередавач (і навіть приймач) на несучій частоті 5,5 ГГц.

Вони зазначають, що ці результати можуть вказувати на нові можливості застосування та функціонування інтегрованих частотних оптичних гребінців для бездротового радіозв'язку та бездротової синхронізації з джерелом опорного сигналу. «Дослідження відкриває двері до нових типів гібридних електрон-фотонних пристроїв і є першим кроком до ультра високошвидкісного Wi-Fi», - сказав професор Капассо.

Оригінал: phys.org, ElectronicDesign
Переклад: Наталія Березовська
Редактор перекладу: Ігор Дмитрук

Пов'язані товари

Повернутися