Il traffico dati Wi-Fi e cellulare sta aumentando in modo esponenziale ma, a meno che la capacità dei collegamenti wireless non possa essere aumentata, tutto quel traffico è destinato a portare a colli di bottiglia inaccettabili.

Le prossime reti 5G sono una soluzione temporanea ma non una soluzione a lungo termine. Per quello, i ricercatori si sono concentrati sulle frequenze terahertz, le lunghezze d'onda submillimetriche dello spettro elettromagnetico. I dati che viaggiano a frequenze terahertz potrebbero muoversi centinaia di volte più velocemente rispetto al wireless di oggi.

Nel 2017, ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno scoperto che un pettine di frequenza a infrarossi in un laser a cascata quantistica potrebbe offrire un nuovo modo per generare frequenze terahertz. Ora, quei ricercatori hanno scoperto un nuovo fenomeno dei pettini di frequenza laser a cascata quantistica, che consentirebbe a questi dispositivi di agire come trasmettitori o ricevitori integrati in grado di codificare in modo efficiente le informazioni.

La ricerca è pubblicata su ottica .

"Questo lavoro rappresenta un cambio di paradigma completo per il modo in cui un laser può essere utilizzato, " disse Federico Capasso, il Robert L. Wallace Professor of Applied Physics e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering e autore senior dell'articolo. "Questo nuovo fenomeno trasforma un laser, un dispositivo che opera a frequenze ottiche, in un modulatore avanzato a frequenze delle microonde, che ha un significato tecnologico per l'uso efficiente della larghezza di banda nei sistemi di comunicazione."

I pettini di frequenza sono ampiamente utilizzati, strumenti di alta precisione per misurare e rilevare diverse frequenze, a.k.a. colori:di luce. A differenza dei laser convenzionali, che emettono una sola frequenza, questi laser emettono più frequenze contemporaneamente, equidistanti per assomigliare ai denti di un pettine. Oggi, i pettini di frequenza ottici vengono utilizzati per tutto, dalla misurazione delle impronte digitali di molecole specifiche al rilevamento di esopianeti distanti.

Questa ricerca, però, non era interessato all'uscita ottica del laser.

"Eravamo interessati a quello che stava succedendo all'interno del laser, nello scheletro elettronico del laser, " disse Marco Piccardo, un borsista post-dottorato presso SEAS e primo autore del documento. "Abbiamo mostrato, per la prima volta, un laser a lunghezze d'onda ottiche funziona come un dispositivo a microonde."

All'interno del laser, le diverse frequenze della luce battono insieme per generare radiazioni a microonde. I ricercatori hanno scoperto che la luce all'interno della cavità del laser fa oscillare gli elettroni alle frequenze delle microonde, che rientrano nello spettro delle comunicazioni. Queste oscillazioni possono essere modulate esternamente per codificare le informazioni su un segnale portante.

"Questa funzionalità non è mai stata dimostrata prima in un laser, " disse Piccardo. "Abbiamo dimostrato che il laser può agire come un cosiddetto modulatore di quadratura, permettendo a due diverse informazioni di essere inviate contemporaneamente attraverso un singolo canale di frequenza e successivamente di essere recuperate all'altra estremità di un collegamento di comunicazione."

"Attualmente, le sorgenti terahertz hanno serie limitazioni a causa della larghezza di banda limitata, " ha detto Capasso. "Questa scoperta apre un aspetto completamente nuovo dei pettini di frequenza e potrebbe portare, nel futuro prossimo, a una sorgente terahertz per le comunicazioni wireless."