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太赫兹激光器数据传输率达100G比特,比以太网快约一千倍
发布时间:2020-02-17 10:08:54 阅读:520

来源:贤集网

    2020年2月14日消息,近日,研究人员在太赫兹量子级联激光器(terahertz quantum cascade lasers)的控制方面取得了突破性的进展,可以以每秒100G比特的速率传输数据,这比通常以每秒100兆比特速度运行的快速以太网快约一千倍。

    太赫兹量子级联激光器与其他激光器的区别在于,它们在电磁频谱的太赫兹范围内发射光。它们可用于光谱学领域,用于化学分析。

太赫兹量子级联激光器。一把镊子显示设备有多小。图片:利兹大学

    当大型数据在医院、校园或大学的研究机构之间或在卫星通信中进行传输时,激光可以提供超快速、短跳的无线链接。

    为了能够以这样超快的速度发送数据,需要非常快速地调制激光器:每秒产生约1000亿次脉冲。

    迄今为止,工程师和科学家还没有找到实现这一目标的方法。

    利兹大学和诺丁汉大学的一个研究小组认为,他们已经找到了一种结合声波和光波能量的超快调制方式。他们今天在《自然通讯》上发表了他们的发现。

    利兹大学纳米电子学教授约翰•坎宁安(John Cunningham)说:“这是令人兴奋的研究。目前,用于调制量子级联激光器的系统是电驱动的,但是该系统有局限性。

安妮拉•邓恩(Aniela Dunn)博士将激光器及其支架放在她的手中。图片:利兹大学

    “矛盾的是,提供调制的电子设备通常会阻碍调制速度。我们正在开发的机制依赖于声波。”

    量子级联激光器非常有效。当电子通过激光的光学组件时,它会通过一系列的“量子阱”,其中电子的能级下降,并发射出光子或光能脉冲。

    量子阱(quantum well)是指与电子的德布罗意波长可比的微观尺度上的势阱。

    一个电子能够发射多个光子。在调制期间控制的是该过程。

    利兹大学和诺丁汉大学的研究人员并未使用外部电子设备,而是使用声波来振动量子级联激光器内部的量子阱。

    该声波通过另一激光脉冲冲击铝薄膜产生。这导致薄膜膨胀和收缩,从而通过量子级联激光器发出机械波。

    诺丁汉大学物理学教授托尼•肯特(Tony Kent)说:“本质上,我们所做的是利用声波来摇动量子级联激光器内部的复杂电子状态。然后我们可以看到其太赫兹光输出被声波改变了。”

a Experimental arrangement for measuring the optical and electronic perturbation of a THz QCL by laser-generated picosecond acoustic pulses. The sample is mounted on the cold finger of an optical cryostat at an operating temperature of 15 K. b Schematic diagram of the QCL device structure showing the transmitted (solid red line) and reflected (dashed red line) strain pulses. c L‒I‒V characteristics of the QCL in the absence of acoustic pulses, measured at a temperature of ~10 K and driven with 50-µs pulses at a 1-kHz repetition rate. Labels correspond to the different QCL biasing conditions used in experiments: (V1 = 4.13 V, VA = 5.02 V, V2 = 5.49 V and V3 = 5.58 V). d Simplified QCL band structure showing two periods of the structure with labelled injection level (IL-|2〉), upper laser level (ULL-|11′〉) and lower lasing level (LLL). Source data for c and d are provided in ref. 50.

    坎宁安教授补充说:“我们没有达到可以完全控制光子流的开始和结束,但是我们能够将光输出控制在几个百分点,这是一个很好的开始。

    “我们相信,通过进一步完善,我们将能够开发出一种新的机制,以完全控制激光器的光子发射,甚至可以与太赫兹激光器集成产生声音的结构,从而不需要外部声源。”

    肯特教授说:“这一结果为物理学和工程学开辟了一个新的领域,使他们可以探索太赫兹声波和光波的相互作用,这可能具有实际的技术应用。”

    关于太赫兹激光器

    最早的时候,美国哈佛大学和英国利兹大学的一个联合研究小组研制了一种新型太赫兹半导体激光器,其发射的太赫兹光波准直性能与传统太赫兹光源相比显著改善。该激光器的研发成功,为太赫兹科技的应用打开了更广阔的领域。

    文章来源:江苏激光产业创新联盟

 
 

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