محققین دو خروجی اپتیکیِ یک شانه لیزری[۱] را با هم ترکیب و نتیجه را مدوله کردند. سپس این انرژی را از طریق یک آنتن دوقطبی مجتمع[۲] منتشر کرده تا یک سیگنال RF در باند ۵ گیگاهرتز بسازند.

[۱] Laser Comb

[۲] Integrated Dipole Antenna

شانه های فرکانسی لیزری به منظور تولید و دریافت سیگنال هایی با فرکانس رادیویی استفاده می شوند.

در مقاله ای که در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences با عنوان ​​”فرستنده فرکانس رادیویی بر پایه شانه فرکانس لیزری” منتشر شده است، محققین دانشکده مهندسی و علوم کاربردی[۱] (SEAS) دانشگاه هاروارد، لیزری را ارائه کرده اند که می تواند امواج مایکروویو رمزگذاری شده را به عنوان سیگنال های بیسیم[۲] با فرکانس رادیویی (RF) منتشر کرده، آن ها را مدوله کند و سپس همان امواج مایکروویو را به عنوان سیگنال های خارجی با فرکانس رادیویی دریافت و یا رمزگشایی کند.

تحقیقات درباره چنین دستگاه های الکترو-اپتیکی در آزمایشگاهی به سرپرستی فدریکو کاپاسو[۳] و حضور رابرت ال والاس[۴]، استاد فیزیک کاربردی و وینتون هیز[۵]، پژوهشگر ارشد مهندسی برق در SEAS در حال انجام است و چندان جدید نیست. در سال ۲۰۱۷، محققین این آزمایشگاه دریافتند که یک شانه فرکانسی مادون قرمز در یک لیزر آبشار کوانتومی[۶] (QCL) می تواند برای تولید فرکانس های تراهرتز استفاده شود. در سال ۲۰۱۸، این تیم دریافتند که شانه های فرکانسیِ لیزر آبشار کوانتومی، می توانند به عنوان فرستنده ها و گیرنده هایی که به صورت بهینه اطلاعات را کدگذاری می کنند، عمل کنند. اکنون محققین روشی را توسعه داده اند که انرژی را استخراج می کند و سپس آن را از طریق شانه های فرکانسی لیزری به عنوان سیگنال های بیسیم انتقال می دهد و حتی می تواند عملکرد گیرنده مکمل را نیز انجام دهد.

اساس این پیشرفت، شانه فرکانسی بر پایه لیزر نیمه هادی QCL است. طیف خروجی از این ساختار شامل یک سری خطوط فرکانسی با فاصله یکسان و گسسته است (توجه داشته باشید که تئودور دبلیو هونش[۷] و جان ال هال[۸]، نیمی از جایزه نوبل فیزیک ۲۰۰۵ را برای کمک به توسعه طیف سنج دقیق لیزری، شامل استفاده از شانه فرکانس اپتیکی، اختصاص دادند).

داخل کاواک لیزر، پرتوها با فرکانس های مختلف به یکدیگر برخورد کرده و نور در محدوده مایکروویو گسیل می کنند. این موضوع بسیار شبیه است به ترکیب غیرخطی سیگنال های جفت شده که بطور گسترده در صوت از طریق سیستم های الکترونیکی RF مورد استفاده قرار می گیرد. نور داخل کاواک لیزر سبب نوسان الکترون ها در فرکانس مایکروویو که در حدود ۵ گیگاهرتز و در محدوده ارتباطات استاندارد، از جمله باند Wi-Fi است، می شود.

با طراحی مجدد لایه تماسی بالای لیزر به آرایش فرستنده رادیویی لیزری[۹] (LRT)، می توان از تابش انرژی پشتیبانی کرد. سپس محققین با استفاده از این جریان نوسان کننده داخلی، آنتن دوقطبی مجتمع را که در فضای آزاد تابش می کند، درایو کرده اند. آنها همچنین توانسته اند با مدولاسیون جریان لیزر، سیگنال صوتی را بر روی این حامل به طور مستقیم رمزگذاری کنند. 

البته، هر فرستنده برای مفید بودن به گیرنده احتیاج دارد و معماری این گیرنده می تواند به طور کلی متفاوت از فرستنده باشد. به عنوان مثال گیرنده های فرابازتولیدی[۱۰]، سوپرهترودین[۱۱]، zero-IF و [۱۲]SDR هیچکدام شبیه به منبع فرستنده سیگنال نیستند. محققین برای آزمایش اولیه ضریب تبدیل اپتیکی به RF، سیگنال را با استفاده از آنتن شاخه ای[۱۳] دریافت، سپس آن را فیلتر کرده و به منظور رمزگشایی به SDR ارسال کردند.

با این حال، اگر فرستنده الکترواپتیکی بتواند از یک گیرنده مکمل استفاده کند، این مسئله جذابتر خواهد شد. تیم MIT توانسته است این کار را با استفاده از تنظیم چیدمان در محلی که آنتن، سیگنال RF را دریافت می کند انجام دهد، سپس آن ها این سیگنال را به ناحیه فعال لیزر کوپل کرده و باعث قفل شدن این لیزر می شوند.

محققین خاطر نشان کردند که در یک چشم انداز گسترده تر، لیزر را می توان به عنوان جفت کننده دو منبع RF، البته در دو فاز مخالف در نظر گرفت. الکترود بالای این لیزرها معمولاً شامل یک اتصال فلزی پیوسته الکتریکی است که این دو ژنراتور را به هم متصل و از تابش دستگاه جلوگیری می کند.

همچنین محققین نشان دادند که با تغییر هندسه لایه تماسی بالای QCL، می توانند آنتن دو قطبی را بر روی تراشه بسازند و آن را تغذیه کنند تا امکان انتشار امواج رادیویی در فضای آزاد فراهم شود. فرکانس نوت ضربان را می توان با مدولاسیون جریان لیزر تنظیم کرد و از این طریق، لیزر نقش جدید و غیر منتظره ای را به عنوان فرستنده رادیویی بی سیم (و حتی گیرنده) با فرکانس حامل ۵.۵ گیگاهرتز بازی می کند.

محققین اظهار داشتند که این نتایج ممکن است به کاربردها و قابلیت های جدید شانه های فرکانسیِ اپتیکیِ مجتمع برای ارتباط رادیویی بیسیم و همزمان سازی بیسیم با یک منبع مرجع منجر شود. پروفسور کاپاسو بیان دارد: “این تحقیق درهای جدیدی را به روی دستگاه های الکترونیکی-فوتونیکی ترکیبی جدید باز می کند و اولین قدم به سمت وای فای با سرعت فوق العاده است”.

 

 

Source: https://www.laserfocusworld.com/lasers-sources/article/14035201/frequency-combs-trick-a-laser-into-producingreceiving-an-rf-signal

 

[۱] School of Engineering and Applied Sciences

[۲] Wireless

[۳] Federico Capasso

[۴] Robert L. Wallace

[۵] Vinton Hayes

[۶] Quantum Cascade Laser

[۷] Theodor W. Hänsch

[۸] John L. Hall

[۹] Laser-Radio-Transmitter

[۱۰] Superregenerative

[۱۱] Superheterodyne

[۱۲] Software-Defined Radio

[۱۳] Horn antenna