Spin-Laser für den ultraschnellen Datentransfer

Erstellt von Lara Kris­tin Zei­tel | |   Aktuelle Meldungen | Photonik und Terahertztechnologie PTTPTT-en

Ein neues Kon­zept für den ul­tra­schnel­len Da­ten­trans­fer über Glas­fa­ser­ka­bel haben Mar­tin Hof­mann, Mar­kus Lin­de­mann und Nils Ger­hardt vom Lehr­stuhl für Pho­to­nik und Tera­hert­z­tech­no­lo­gie ge­mein­sam ent­wi­ckelt.

In her­kömm­li­chen Sys­te­men schickt ein Laser Licht­si­gna­le durch die Kabel, und die In­for­ma­ti­on ist in der Mo­du­la­ti­on der Licht­in­ten­si­tät co­diert. Das neue Sys­tem, ein Halb­lei­ter-Spin-La­ser, ar­bei­tet statt­des­sen mit Än­de­run­gen in der Licht­po­la­ri­sa­ti­on. Die am 3. April 2019 in der Fach­zeit­schrift „Na­tu­re“ er­schie­ne­ne Stu­die zeigt, dass Spin-La­ser min­des­tens fünf­mal schnel­ler als die bes­ten her­kömm­li­chen Sys­te­me ar­bei­ten könn­ten und dabei nur einen Bruch­teil an En­er­gie ver­brau­chen. An­ders als an­de­re Spin-ba­sier­te Halb­lei­ter­sys­te­me funk­tio­niert die Tech­nik bei Raum­tem­pe­ra­tur und ohne ex­ter­ne Ma­gnet­fel­der. Das Bo­chu­mer Team ko­ope­rier­te für die Um­set­zung mit Kol­le­gen der Uni­ver­si­tät Ulm und der Uni­ver­si­ty at Buf­fa­lo.

Schnel­le Da­ten­über­tra­gung ist der­zeit En­er­gie­fres­ser

Die Da­ten­über­tra­gung, die auf einer di­rek­ten Mo­du­la­ti­on der Licht­in­ten­si­tät ba­siert, kann ohne kom­ple­xe Mo­du­la­ti­ons­kon­zep­te auf­grund phy­si­ka­li­scher Gren­zen nicht viel schnel­ler als mit einer Fre­quenz von 40 bis 50 Gi­ga­hertz er­fol­gen. Um diese Ge­schwin­dig­keit zu er­rei­chen, sind hohe elek­tri­sche Strö­me er­for­der­lich. „Es ist wie bei einem Por­sche, der rich­tig Ben­zin ver­braucht, wenn er schnell sein soll“, ver­gleicht Prof. Dr. Mar­tin Hof­mann. „Da­ten­über­tra­gung und In­ter­net wer­den – wenn wir die Tech­no­lo­gie nicht bald än­dern – mehr En­er­gie ver­brau­chen, als wir der­zeit auf der Erde pro­du­zie­ren.“ Ge­mein­sam mit Pri­vat­do­zent Dr. Nils Ger­hardt und Dok­torand Mar­kus Lin­de­mann forscht Mar­tin Hof­mann daher an einer al­ter­na­ti­ven Tech­no­lo­gie.

Zir­ku­lar po­la­ri­sier­tes Licht als In­for­ma­ti­ons­trä­ger

Mit we­ni­gen Mi­kro­me­ter gro­ßen La­sern, die das Team der Uni­ver­si­tät Ulm be­reit­stell­te, er­zeu­gen die For­scher eine Licht­wel­le, deren Schwin­gungs­rich­tung sich auf eine be­son­de­re Weise pe­ri­odisch än­dert. Es han­delt sich um zir­ku­lar po­la­ri­sier­tes Licht, das durch Über­la­gern zwei­er li­ne­ar senk­recht zu­ein­an­der po­la­ri­sier­ter Licht­wel­len ent­steht.

Bei li­ne­ar po­la­ri­sier­tem Licht schwingt der Vek­tor, der das elek­tri­sche Feld einer Licht­wel­le be­schreibt, kon­stant in einer Ebene. Bei zir­ku­lar po­la­ri­sier­tem Licht ro­tiert er um die Aus­brei­tungs­rich­tung. Der Trick: Wenn sich die zwei li­ne­ar po­la­ri­sier­ten Licht­wel­len in ihrer Fre­quenz un­ter­schei­den, ent­steht in Summe eine os­zil­lie­ren­de zir­ku­la­re Po­la­ri­sa­ti­on, in der sich die Schwin­gungs­rich­tung immer wie­der um­dreht – und zwar mit ein­stell­ba­rer Ge­schwin­dig­keit.

Ge­schwin­dig­keits­li­mit noch nicht er­reicht

„Wir haben ex­pe­ri­men­tell ge­zeigt, dass die Os­zil­la­ti­on mit 200 Gi­ga­hertz er­fol­gen kann“, be­schreibt Hof­mann. „Wie viel schnel­ler sie noch wer­den kann, wis­sen wir nicht. Ein theo­re­ti­sches Limit haben wir noch nicht ge­fun­den.“

Die Os­zil­la­ti­on al­lein trans­por­tiert aber noch keine In­for­ma­ti­on, dazu muss die Po­la­ri­sa­ti­on mo­du­liert wer­den, etwa ein­zel­ne Peaks aus­ge­löscht wer­den. Dass das prin­zi­pi­ell geht, haben Hof­mann, Ger­hardt und Lin­de­mann ex­pe­ri­men­tell be­stä­tigt. Mit nu­me­ri­schen Si­mu­la­tio­nen zeig­ten sie zu­sam­men mit dem Team um Prof. Dr. Igor Žutić und Dok­torand Gao­feng Xu von der Uni­ver­si­ty at Buf­fa­lo au­ßer­dem, dass eine Mo­du­la­ti­on der Po­la­ri­sa­ti­on und damit die In­for­ma­ti­ons­über­tra­gung mit mehr als 200 Gi­ga­hertz theo­re­tisch mög­lich ist.

 

So wird die Mo­du­la­ti­on er­zeugt

Um eine mo­du­lier­te zir­ku­la­re Po­la­ri­sa­ti­on zu ge­ne­rie­ren, sind zwei Fak­to­ren ent­schei­dend: Der Laser muss so be­trie­ben wer­den, dass er gleich­zei­tig zwei senk­recht zu­ein­an­der po­la­ri­sier­te Licht­wel­len emit­tiert, deren Über­la­ge­rung die zir­ku­la­re Po­la­ri­sa­ti­on er­gibt. Au­ßer­dem muss sich die Fre­quenz der bei­den emit­tier­ten Licht­wel­len aus­rei­chend stark un­ter­schei­den, dass die schnel­le Os­zil­la­ti­on ent­steht.

Das La­ser­licht wird in einem Halb­lei­ter­kris­tall er­zeugt, in den die For­scher Elek­tro­nen und Elek­tro­nen­lö­cher in­ji­zie­ren. Wenn sie auf­ein­an­der­tref­fen, wer­den Licht­teil­chen frei. Damit das Licht die ge­wünsch­te Po­la­ri­sa­ti­on er­hält, ist der Spin – eine Art Ei­gen­dre­h­im­puls – der in­ji­zier­ten Elek­tro­nen ent­schei­dend. Nur wenn der Spin der Elek­tro­nen auf eine be­stimm­te Weise aus­ge­rich­tet ist, hat das emit­tier­te Licht die pas­sen­de Po­la­ri­sa­ti­on – eine Her­aus­for­de­rung, da die Spin-Aus­rich­tung schnell ver­lo­ren geht. Die For­scher müs­sen die Elek­tro­nen daher mög­lichst nah an der Stel­le in den Laser ein­brin­gen, an der auch das Licht­teil­chen ent­ste­hen soll. Eine Idee, wie das mit­hil­fe eines fer­ro­ma­gne­ti­schen Ma­te­ri­als ge­lin­gen kann, hat Hof­manns Team be­reits zum Pa­tent an­ge­mel­det.

Dop­pel­bre­chung sorgt für Fre­quenz­un­ter­schied

Der für die Os­zil­la­ti­on er­for­der­li­che Fre­quenz­un­ter­schied in den bei­den emit­tier­ten Licht­wel­len wird mit einer Tech­nik des Ulmer Teams um Prof. Dr. Rai­ner Mich­al­zik und Dok­torand To­bi­as Pusch ge­ne­riert. Der ver­wen­de­te Halb­lei­ter­kris­tall ist dop­pel­bre­chend. Der Bre­chungs­in­dex ist also leicht un­ter­schied­lich für die bei­den senk­recht zu­ein­an­der po­la­ri­sier­ten Licht­wel­len, die aus dem Kris­tall aus­tre­ten. Da­durch haben die Wel­len un­ter­schied­li­che Fre­quen­zen. Indem die For­scher den Halb­lei­ter­kris­tall bie­gen, kön­nen sie den Un­ter­schied im Bre­chungs­in­dex und somit den Fre­quenz­un­ter­schied ein­stel­len. Er be­stimmt die Ge­schwin­dig­keit der Os­zil­la­ti­on, die letzt­end­lich die Grund­la­ge für eine be­schleu­nig­te Da­ten­über­tra­gung sein könn­te.

„Das Sys­tem ist noch nicht so weit, dass man es ein­set­zen könn­te“, re­sü­miert Mar­tin Hof­mann. „Es ist viel tech­no­lo­gi­sche Op­ti­mie­rung er­for­der­lich. Mit un­se­rer Ar­beit, die das Po­ten­zi­al der Spin-La­ser auf­zeigt, möch­ten wir ein neues For­schungs­feld auf­sto­ßen.“

Mehr dazu gibt es auf der RUB-News-Sei­te unter https://​news.​rub.​de/​presseinformationen/​wissenschaft/​2019-04-04-informationstechnik-spin-laser-fuer-den-ultraschnellen-datentransfer. (Fotos: RUB/Kra­mer)