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使用声和光,太赫兹激光器可达到100G比特数据传输率

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,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。

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。

“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。”

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。”

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