Использование звука и света для создания сверхбыстрой передачи данных

Исследователи сделали прорыв в области управления терагерцовыми квантовыми каскадными лазерами, что может привести к передаче данных со скоростью 100 гигабит в секунду — примерно в тысячу раз быстрее, чем быстрый Ethernet, работающий со скоростью 100 мегабит в секунду.

Что отличает терагерцовые квантовые каскадные лазеры от других лазеров, так это то, что они излучают свет в терагерцовом диапазоне электромагнитного спектра. Они имеют приложения в области спектроскопии, где они используются в химическом анализе.

Лазеры также могут в конечном итоге обеспечить сверхбыструю беспроводную связь с коротким интервалом, где большие наборы данных должны передаваться через больничные городки или между исследовательскими центрами в университетах — или в спутниковой связи.

Чтобы иметь возможность отправлять данные с такими увеличенными скоростями, лазеры должны модулироваться очень быстро: включаться и выключаться или пульсировать около 100 миллиардов раз в секунду.

Инженеры и ученые до сих пор не смогли разработать способ достижения этого.

Исследовательская группа из Университета Лидса и Университета Ноттингема считает, что они нашли способ обеспечить сверхбыструю модуляцию, комбинируя силу акустических и световых волн. Они опубликовали свои выводы сегодня (11 февраля) в Nature Communications .

Джон Каннингем, профессор наноэлектроники в Лидсе, сказал: «Это захватывающее исследование. В настоящее время система для модуляции квантового каскадного лазера приводится в действие электрическим приводом, но эта система имеет ограничения.

«По иронии судьбы, та же электроника, которая обеспечивает модуляцию, обычно тормозит скорость модуляции. Разрабатываемый нами механизм опирается вместо этого на акустические волны».

Квантовый каскадный лазер очень эффективен. Когда электрон проходит через оптический компонент лазера, он проходит через серию «квантовых ям», где уровень энергии электрона падает и излучается фотон или импульс световой энергии.

Один электрон способен излучать несколько фотонов. Именно этот процесс контролируется во время модуляции.

Вместо использования внешней электроники команды исследователей из университетов Лидса и Ноттингема использовали акустические волны для вибрации квантовых ям внутри квантового каскадного лазера.

Акустические волны генерировались при воздействии импульса другого лазера на алюминиевую пленку. Это заставило пленку расширяться и сжиматься, посылая механическую волну через квантовый каскадный лазер.

Тони Кент, профессор физики в Ноттингеме, сказал: «По сути, мы использовали акустическую волну, чтобы встряхнуть сложные электронные состояния внутри квантового каскадного лазера. Затем мы могли видеть, что его терагерцовый световой поток изменялся акустической волной».

Профессор Каннингем добавил: «Мы не достигли ситуации, когда мы могли бы остановить и полностью запустить поток, но мы смогли контролировать светоотдачу на несколько процентов, что является отличным началом».

«Мы считаем, что с дальнейшим уточнением мы сможем разработать новый механизм для полного контроля излучения фотонов от лазера и, возможно, даже интегрировать структуры, генерирующие звук, с терагерцовым лазером, так что внешний источник звука не требуется».

Профессор Кент сказал: «Этот результат открывает новую область для физики и инженерии, объединяющуюся в исследовании взаимодействия терагерцового звука и световых волн, которые могут иметь реальные технологические приложения».

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Университетом Лидса . Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Аниела Данн, Кэролайн Пойзер, Пол Дин, Александар Демич, Александр Валаванис, Драган Инджин, Мохаммед Салих, Иман Кунду, Лианхе Ли, Андрей Акимов, Александр Джайлс Дэвис, Эдмунд Линфилд, Джон Каннингем, Энтони Кент. Высокоскоростная модуляция терагерцового квантового каскадного лазера когерентными акустическими фононными импульсами . Nature Communications , 2020; 11 (1) DOI: 10.1038 / s41467-020-14662-w