Peignes de fréquence laser à cascade quantique :la prochaine révolution en matière de vitesse WiFi

• Des scientifiques ont développé une technique permettant de générer des fréquences térahertz via un peigne de fréquences infrarouges dans un laser à cascade quantique.
• Les données circulant sur cette bande peuvent circuler plus de cent fois plus rapidement que les réseaux sans fil existants. 
• C'est la première fois que quelqu'un démontre qu'un laser est capable d'agir comme modulateur en quadrature. 

Les données cellulaires et le trafic WiFi augmentent à un rythme effréné. D’ici 2020, il y aura plus de 50 milliards d’appareils connectés au WiFi dans le monde. Mais cette vitesse sera limitée par la capacité des réseaux sans fil, et le trafic généré par ces appareils peut entraîner des goulots d'étranglement intolérables.

Le prochain système sans fil de 5e génération est une solution temporaire qui sera déployée en 2018 et au-delà. Ses bandes d'ondes millimétriques peuvent gérer jusqu'à 20 gigabits de données par seconde (Gbit/s). Cependant, cela ne semble pas être une solution à long terme.

Par conséquent, les scientifiques se sont concentrés sur la bande submillimétrique du spectre électromagnétique, appelée fréquences térahertz. Les longueurs d'onde dans la bande térahertz vont de 1 millimètre à 0,1 millimètre ; les données circulant sur cette bande peuvent se déplacer plus de cent fois plus vite que les réseaux sans fil existants.

Peigne de fréquence infrarouge dans une cascade quantique

En 2017, des chercheurs de l’Université Harvard ont développé une technique permettant de générer des fréquences térahertz via un peigne de fréquences [infrarouge] dans un laser à cascade quantique. Ils ont désormais développé un nouveau mécanisme de peignes de fréquence laser à cascade quantique qui permet à l'équipement d'agir comme un récepteur ou un émetteur intégré, pour coder efficacement les données.

Cette technique convertit les équipements fonctionnant aux longueurs d'onde optiques en modulateurs avancés aux longueurs d'onde micro-ondes. Cela permet à l'appareil d'utiliser efficacement la bande passante du réseau. Il transforme complètement la façon dont un laser fonctionne.

Qu'est-ce que les peignes de fréquence ? 

Un peigne de fréquence optique est une source laser dont le spectre contient une série de raies de fréquence discrètes [également espacées]. Il est largement utilisé pour mesurer et détecter avec précision différentes fréquences de lumière. Contrairement au laser traditionnel, qui émet une lumière d'une seule longueur d'onde, celui-ci émet de la lumière à plusieurs longueurs d'onde simultanément.

C’est ce qu’on appelle un peigne de fréquence car ces lumières de fréquences multiples sont également espacées et ressemblent aux dents d’un peigne. À l'heure actuelle, nous utilisons ces peignes de fréquence optique pour presque tout, de la recherche d'exoplanètes lointaines à l'analyse des empreintes digitales de certaines molécules.

Cependant, la recherche ne porte pas sur la sortie optique du laser. Les scientifiques se sont intéressés à ce qui se passe à l’intérieur de la structure électronique du laser. Ils ont démontré qu'un laser optique peut fonctionner comme un instrument à micro-ondes.

Référence :OSAPublishing | est ce que je:10.1364/OPTICA.5.000475 | Harvard 

Comment ça marche ?

Crédit image :Jared Sisler / Université Harvard

Les multiples longueurs d’onde de la lumière laser se battent ensemble pour produire un rayonnement micro-ondes. La lumière présente dans la cavité laser déclenche l’oscillation des électrons à différentes longueurs d’onde micro-ondes. Ces longueurs d'onde relèvent du même spectre que celui utilisé pour les communications. Afin de coder des données sur un signal porteur, on pourrait moduler ces oscillations de manière externe.

Selon les chercheurs, personne n’a fait cela auparavant. C'est la première fois que quelqu'un démontre qu'un laser est capable d'agir comme un modulateur en quadrature, ce qui permet de transférer 2 données différentes en même temps en utilisant un seul canal de fréquence.

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De plus, le signal sans fil pourrait être déporté dans l’espace libre en intégrant des antennes dans le laser. Cela ferait d'un laser à cascade quantique un modulateur et un émetteur monocorps.

À l’heure actuelle, les sources de rayonnement térahertz présentent des limitations critiques en raison d’une bande passante limitée. Cette recherche ouvre une voie potentielle pour un nouveau type de mélangeurs en quadrature, qui pourraient être facilement intégrés dans les architectures de communication sans fil de nouvelle génération.