Le trafic de données Wi-Fi et cellulaire augmente de façon exponentielle mais, à moins que la capacité des liaisons sans fil ne puisse être augmentée, tout ce trafic ne peut que conduire à des goulots d'étranglement inacceptables.

Les réseaux 5G à venir sont une solution temporaire mais pas une solution à long terme. Pour ça, les chercheurs se sont concentrés sur les fréquences térahertz, les longueurs d'onde submillimétriques du spectre électromagnétique. Les données voyageant à des fréquences térahertz pourraient se déplacer des centaines de fois plus rapidement que le sans fil d'aujourd'hui.

En 2017, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont découvert qu'un peigne de fréquence infrarouge dans un laser à cascade quantique pourrait offrir une nouvelle façon de générer des fréquences térahertz. Maintenant, ces chercheurs ont découvert un nouveau phénomène de peignes de fréquence laser à cascade quantique, ce qui permettrait à ces appareils d'agir comme des émetteurs ou des récepteurs intégrés capables de coder efficacement les informations.

La recherche est publiée dans Optique .

"Ce travail représente un changement de paradigme complet pour la façon dont un laser peut être utilisé, " a déclaré Federico Capasso, le professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et Vinton Hayes chercheur principal en génie électrique et auteur principal de l'article. "Ce nouveau phénomène transforme un laser - un appareil fonctionnant à des fréquences optiques - en un modulateur avancé à des fréquences micro-ondes, qui a une importance technologique pour une utilisation efficace de la bande passante dans les systèmes de communication."

Les peignes de fréquence sont largement utilisés, des outils de haute précision pour mesurer et détecter différentes fréquences—a.k.a. couleurs - de lumière. Contrairement aux lasers conventionnels, qui émettent une seule fréquence, ces lasers émettent plusieurs fréquences simultanément, régulièrement espacés pour ressembler aux dents d'un peigne. Aujourd'hui, les peignes de fréquence optique sont utilisés pour tout, de la mesure des empreintes digitales de molécules spécifiques à la détection d'exoplanètes distantes.

Cette recherche, cependant, n'était pas intéressé par la sortie optique du laser.

"Nous étions intéressés par ce qui se passait à l'intérieur du laser, dans le squelette électronique du laser, " a déclaré Marco Piccardo, stagiaire postdoctoral à SEAS et premier auteur de l'article. "Nous avons montré, pour la première fois, un laser à des longueurs d'onde optiques fonctionne comme un dispositif à micro-ondes."

A l'intérieur du laser, les différentes fréquences de lumière battent ensemble pour générer un rayonnement micro-ondes. Les chercheurs ont découvert que la lumière à l'intérieur de la cavité du laser fait osciller les électrons à des fréquences micro-ondes, qui se situent dans le spectre des communications. Ces oscillations peuvent être modulées de manière externe pour coder des informations sur un signal porteur.

"Cette fonctionnalité n'a jamais été démontrée dans un laser auparavant, " a déclaré Piccardo. " Nous avons montré que le laser peut agir comme un modulateur en quadrature, permettant à deux informations différentes d'être envoyées simultanément sur un seul canal de fréquence et d'être successivement récupérées à l'autre extrémité d'un lien de communication.

"Actuellement, les sources térahertz ont de sérieuses limitations en raison de la bande passante limitée, " a déclaré Capasso. " Cette découverte ouvre un tout nouvel aspect des peignes de fréquence et pourrait conduire, dans le futur proche, à une source térahertz pour les communications sans fil."