Terahertzové frekvenční technologie prošly v posledních několika desetiletích pozoruhodným vývojem. A ještě aby ne, když je jejich vývoj motivován rozmanitou škálou potenciálních aplikací. Ať je to optická komunikace, spektroskopie s vysokým rozlišením anebo metrologie, všechny dychtivě touží po ještě vyšších frekvencích, než je tomu doposud.
Skupina vědců učinila ohromný průlom v kvantově kaskádové laserové technologii a dosáhla právě frekvencí terahertzů. Tímto ale dobré zprávy končí. Technologie totiž ještě potřebuje doladit, aby se mohla dostat na trh.
Technologie kvantově kaskádových laserů se nabízí nejen k použití u optických vláken, ale také u ultrarychlých bezdrátových komunikacích. Prezentovaný kvantově kaskádový laser (QCL) dokáže teoreticky přenášet data rychlostí 100 gigabitů za sekundu. To je stokrát rychleji, než dokáže (gigabitový) Ethernet, jež je v současnosti na většině základních desek, anebo tisíckrát rychleji než jeho starší kolega – Ethernet dodnes se honosící označením Fast (100 Mbit/s).
Jak kvantově kaskádové lasery fungují
Přestože princip laseru fyzikálně popsal Albert Einstein za první světové války v roce 1917, dlouho zůstával jen jako teoretický model. Vytvořit funkční prototyp se podařilo až v roce 1960 americkým výzkumníkům okolo Teodora Mainmana.
QLC historie nadělila podobně. Teoreticky o nich víme, že by mohly fungovat od 70. let, ale první demonstrace proběhla až v roce 1994 v Bellových laboratořích. Princip kaskádových laserů funguje odlišně než běžné polovodičové lasery, kdysi využívané v masovém měřítku například u optických médií CD, DVD či Blu-Ray. Dnes se s nimi kvůli skomírajícím prodejům setkáváme čím dál méně častěji.
Přehled komerčně využívaných laserů
Dřívější lasery dokázaly emitovat pouze jednobarevné světlo. U CD se používá 650nm (červená barva) a v případě Blu-Ray disků pak ještě kratší vlnové délky, 405nm (barva fialová). Kvantově kaskádové lasery, jak může být bystrému oku patrné, tuhle hru mění. Kombinují více vlnových délek dohromady. Laicky používají světla více barev.
Fyzikálně fungují na principu tzv. kvantových přechodů. Prostředí, ve kterém k takovýmto jevům dochází, se skládá z neuvěřitelně tenkých vrstev polovodičů. Mezi nimi je jemná „nádrž“ o velikosti maximálně jednoho nanometru, kterou tvoří vrstvička galia a hliníků. V této „zdrži“ dochází ke kvantovým jevům. To znamená, že se zde elektrony dostávají do excitovaného stavu, ztrácejí energii a vyzařují fotony. Co je ale oproti jiným laserům jiné, je jev, že elektron nevyzařuje foton jen jednou, ale vícekrát za sebou.
Kaskádového jevu se pak dosahuje tak, že je elektron uzavřen v „kvantové pasti“ a tím, jak sestupuje v jednotlivých vrstvách, kaskádách, pokaždé emituje foton. Tenhle princip opakovaného vyzařování dělá kaskádové lasery mnohem výkonnější než všechny dosud známé lasery.
Tabulka – Jak rostly teoretické rychlosti u Wi-Fi:
|
Rok vydání
|
Teoretická maximální rychlost
|
Frekvence
|
IEEE Standard
|
| 1999 |
54 Mbitů/s |
5 GHz |
802.11a |
| 1999 |
11 Mbitů/s |
2,4 GHz |
802.11b |
| 2003 |
54 Mbitů/s |
2,4 GHz |
802.11g |
| 2009 |
600 Mbitů/s |
2,4 GHz a 5 GHz |
802.11n |
| 2014 |
1,3 Gbitů/s |
2,4 GHz a 5 GHz |
802.11ac |
| 2019 |
12 Gbitů/s |
2,4 GHz a 5 GHz |
802.11ax |
Potřebujeme „rychlejší světlo“
Posílání takto rychlých dat vyžaduje, aby byl laser velmi rychle modulován. Zapínání a vypínání musí probíhat přibližně 100 miliardkrát za sekundu. Vědci dost dlouho nedokázali vytvořit metodu, jak by se dalo takto rychlé modulace dosáhnout. Tým z Nottinghamské univerzity tvrdí, že našel způsob, jak ultrarychlou modulaci zajistit. Kombinují síly akustických a světelných vln.
Tým pomocí akustických vln ovlivňoval procesy probíhající uvnitř kaskádových „kvantových pastí“. Na výstupu bylo vidět, že světelný terahertzový výstup byl akustickou vlnou proměňován. Vědci tvrdí, že výsledky výzkumu otevírají novou oblast pro fyziku a samotné inženýrství, propojující spolu světy terahertzového zvuku a světelných vln a otevírající tak nový interdisciplinární přístup k problému.
