主頁（http://www.130131.com）：首個基于激光器的射頻發(fā)射器：未來將開啟超高速無線通信！

導讀

據(jù)美國哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院官網近日報道，該校研究人員首次將激光器作為射頻發(fā)射器使用，無線地傳送了著名歌手迪恩·馬丁的經典歌曲《Volare》。

背景

激光，是20世紀人類最重大的發(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，因此也被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”。

各種色彩的激光（圖片來源：維基百科）

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

封裝好的半導體激光二極管（圖片來源：維基百科）

激光二極管芯片（圖片來源：維基百科）

半導體激光器具有體積小、重量輕、壽命長、運轉可靠性高、能耗低、電光轉換效率高、易于大規(guī)模生產以及價格較低廉等優(yōu)點。

創(chuàng)新

近日，哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員們通過半導體激光器無線地傳送了著名歌手迪恩·馬丁（Dean Martin）的經典歌曲《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線地發(fā)射微波，調制它們，并接收外部射頻信號。

（圖片來源：Marco Piccardo/Harvard SEAS）

SEAS 應用物理教授、電氣工程高級研究員、論文高級作者費德里科·卡帕索（Federico Capasso）表示：“這項研究為新型混合電子光子器件打開了大門，并且也是朝著超高速Wi-Fi邁出的第一步�！�

技術

這項研究建立在卡帕索實驗室之前的工作基礎上。2017年，研究人員們發(fā)現(xiàn)，量子級聯(lián)激光器中的紅外線頻率梳可用于產生太赫茲頻率。它處于電磁頻譜的亞毫米波段，比當今的無線平臺傳輸數(shù)據(jù)的速度快幾百倍。

（圖片來源：Jared Sisler/Havard SEAS）

2018年團隊發(fā)現(xiàn)，量子級聯(lián)激光器頻率梳也可作為集成化的發(fā)射器或者接收器，來有效地編碼信息。

（圖片來源：Jared Sisler/Havard SEAS）

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

不同于發(fā)出單頻光的傳統(tǒng)激光器，激光頻率梳可同時發(fā)出多個頻率的光線。這些光線之間的間隔均勻，看起來就像梳齒一樣。2018年，研究人員們發(fā)現(xiàn)，在激光器內部，不同頻率的光線結合到一起產生了微波輻射。激光器腔體內部的光線，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。

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

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

然后，他們采用天線將微波從設備中發(fā)射出去，其中含有編碼過的信息，再通過一個喇叭天線接收這個無線電信號，過濾信號并發(fā)送至計算機。

研究人員也演示了激光器收音機可以接收信號。團隊可通過來自另一個設備的微波信號遠程控制激光器的表現(xiàn)。

價值

皮卡爾多表示：“這種多功能一體化的集成設備非常適合未來的無線通信。雖然要實現(xiàn)太赫茲無線通信的夢想還有一段路要走，但是這項研究為實現(xiàn)這個目標提供了一幅清晰的路線圖�！�

關鍵字

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