量子カスケードのレーザー周波数コムはWiFiの未来になるか

・科学者達は、量子カスケードレーザーの赤外線周波数コムを介してテラヘルツ周波数を生成する技術を開発した。

・この帯域内のデータは、既存ワイヤレスネットワークの100倍以上の速度で移動可能。

・レーザーが直交変調器として機能できることが実証された初めてのケース。

モバイル・WiFi データ量は急速に増加しています。 2020年までに、世界中で500億以上のWiFi接続デバイスが存在するようになるでしょう。 ただし、ワイヤレスネットワーク容量によって速度は制限され、これらデバイスによって生成されるデータ量は、許容できないボトルネックにつながる可能性があります。

今後、第5世代ワイヤレスシステムが2018年以降に展開され、一時的な解決策となります。 そのミリ波帯は、毎秒最大20ギガビット（Gbit / s）のデータを処理可能です。 ただし、これは根本的な解決策にはなっていないようです。

よって、科学者たちはテラヘルツ周波数と呼ばれる電磁スペクトルのサブミリ波帯に注目してきました。 テラヘルツ帯の波長は1ミリメートルから0.1ミリメートルで、この帯域におけるデータは、既存のワイヤレスネットワークの100倍以上の速度で移動することが可能です。

量子カスケードにおける赤外線周波数コム

2017年、ハーバード大学の研究者達は、量子カスケード・レーザー周波数コム（赤外線）を介してテラヘルツ周波数を生成する技術を開発しました。 各デバイスが統合された受信機または送信機として機能し、データを効果的にエンコードできる、量子カスケード・レーザー周波数コムの新しいメカニズムが開発されました。

この技術は、光波長型機器をマイクロ波波長で機能する高度な変調器へと変換します。 これにより、デバイスはネットワーク帯域幅を効率的に使用でき、レーザーの操作方法を完全に変えてしまいます。

周波数コムとは？

光周波数コムは、スペクトルに一連の分離した（等間隔の）周波数線が含まれるレーザー光源です。 さまざまな周波数の光を正確に測定、および検出するために広く使用されています。 単一波長の光を放射する従来のレーザーとは異なり、複数の波長の光を同時に放射します。

複数の周波数の光が等間隔に配置され、櫛の歯に似ているため、周波数コムと呼ばれています。 現在、光周波数コムは、遠くの太陽系外惑星の発見から特定の分子の指紋の分析といった幅広い分野において、使用されています。

どのように機能するのか？

レーザー光の複数波長が互いに衝突して、マイクロ波放射を生成します。レーザー空洞に存在する光は、電子を引き金にして、さまざまなマイクロ波波長で振動させます。この波長は、通信に使用されるのと同じスペクトルに分類されます。そして、データを搬送波信号にエンコードするために、この振動を外部で変調することができます。

研究者によると、今まで誰もこの研究を行ったことはありませんでした。 レーザーが直交変調器として機能し、1つの周波数チャネルを使用して2つの異なるデータを同時に転送できることが実証されたのは、今回が初めてとなります。

さらに、アンテナをレーザーに統合することにより、無線信号を空間に出力することができます。 これにより、量子カスケード・レーザーはユニボディ変調器および送信機になります。

現在、テラヘルツ放射源は帯域幅が限られているため、厳しい制限があります。 当研究は、次世代の無線通信アーキテクチャに簡単に統合することになる新しいタイプの直交ミキサーへと、その可能性を切り開くことになるでしょう。