Ein Laser-Frequenzkamm kodiert die Informationen und wandelt sie in Mikrowellen um Forscher konstruieren erstes Laser-Radio - scinexx | Das Wissensmagazin
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Forscher konstruieren erstes Laser-Radio

Ein Laser-Frequenzkamm kodiert die Informationen und wandelt sie in Mikrowellen um

Frequenzkamm
Kernstück des neuartigen Laser-Radios bildet ein Laser-Frequenzkamm – er kodiert die Information und wandelt sie in Mikrowellen um. © Second Bay Studios/Harvard SEAS

Weltpremiere: Forscher haben erstmals einen Laser zum Radiogerät umfunktioniert – und damit einen Song von Dean Martin drahtlos übertragen. Möglich wird dies mithilfe einer Technologie, die interne Oszillationen eines Laser-Frequenzkamms in Radiowellen umwandelt. Das Laser-Radio kann dadurch sowohl Informationen senden als auch empfangen. Die neue Technologie ebnet den Weg zu ganz neuen elektronisch-photonischen Hybrid-Geräten.

Bisher funktionieren Radios nach einem simplen Prinzip: Schall wird in elektrische Signale und dann in elektromagnetische Wellen im Megahertz- bis Gigahertz-Bereich umgewandelt. Diese werden als Funksignale über die Luft gesendet und von Radiogeräten mittels Antenne empfangen. Der Empfänger wandelt die analog oder digital kodierten Signale wieder in Schall um – es ertönen Musik, Nachrichten oder sonstige Informationen.

Laser-Radio 2
Das Laser-Radio hat erfolgreich ein Musikstück übermittelt. © Marco Piccardo/ Harvard SEAS

Kamm aus Licht

Doch es geht auch anders, wie nun Marco Piccardo von der Harvard University und seine Kollegen demonstrieren. Sie haben das erste Radiogerät konstruiert, das auf Basis von Laserstrahlung funktioniert. Kern des Geräts bildet dabei ein Laser-Frequenzkamm, ein Lasersystem, das Licht in Form vieler scharf abgegrenzter Spektrallinien in gleichen Abständen produziert – wie die Zinken eines Kamms. Der große Vorteil: Jede „Zinke“ eines solchen Frequenzkamms kann ein Datensignal transportieren – dies ermöglicht große Bandbreiten.

Inzwischen haben Forscher diese Laserkämme soweit verkleinert, dass sie auf Mikrochips passen. Bisher allerdings wurde diese Technologie vorwiegend für photonische Anwendungen eingesetzt. Doch Piccardo und sein Team haben entdeckt, dass solche Frequenzkämme durch spezielle Resonanzeffekte auch Oszillationen im Mikrowellenbereich erzeugen – und damit in dem Bereich, der für die Radio- und Mobilfunkübertragung verwendet wird.

Laser-Radio sendet erstes Musikstück

Für ihr Laser-Radio manipulierten die Forscher einen Laser-Frequenzkamm so, dass er Informationen in den Oszillationen seines Lichts kodierte. Über einen Photodetektor wandelten sie diese Schwingungen dann in Mikrowellen um, die über eine Antenne als Funksignal ausgesendet wurden. Als Testsendung wählten die Wissenschaftler den Song „Volare“ von Dean Martin. Das Radiosignal fingen sie mit einer klassischen Antenne auf und machten es über einen Computer als Radioübertragung wieder hörbar.

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„Damit zeigen wir, dass ein entsprechend konstruierter Laser Mikrowellen zu einem informationstragenden Signal modulieren und drahtlos emittieren kann“, konstatieren Piccardo und seine Kollegen. Das neuartige Laser-Radio kann dabei sowohl Informationen senden als auch empfangen, wie ein weiterer Versuch ergab. Dabei veränderten die Mikrowellensignale den Frequenzkamm. „Das öffnet die Tür zu einem ganz neuen Typ von hybriden elektronisch-photonischen Geräten“, so die Forscher.

„Großes Potenzial“

Nach Ansicht der Wissenschaftler könnte diese Hybrid-Technologie einiges an neuen Anwendungen ermöglichen. „Dieses integrierte Gerät hat großes Potenzial für die drahtlose Kommunikation“, sagt Piccardo. Sein Kollege Federico Capasso ergänzt: „Unsere Forschung ebnet einen Weg zu neuen Arten von elektronisch-photonischen Geräten und es ist der erste Schritt hin zu einem ultraschnellen WLAN.“

Die Forscher und ihre Universität haben bereits das Patent auf ihr neues Laser-Radio angemeldet und gehen nun Möglichkeiten nach, die Technologie für konkrete Anwendungen zu nutzen. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019; doi: 10.1073/pnas.1903534116)

Quelle: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

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