Ein neues Konzept f眉r den ultraschnellen Datentransfer 眉ber Glasfaserkabel haben Ingenieure der Ruhr-51本色 Bochum entwickelt. In herk枚mmlichen Systemen schickt ein Laser Lichtsignale durch die Kabel, und die Information ist in der Modulation der Lichtintensit盲t codiert. Das neue System, ein Halbleiter-Spin-Laser, arbeitet stattdessen mit 脛nderungen in der Lichtpolarisation.
Die am 3. April 2019 in der Fachzeitschrift erschienene Studie zeigt, dass Spin-Laser mindestens f眉nfmal schneller als die besten herk枚mmlichen Systeme arbeiten k枚nnten 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 vom kooperierte f眉r die Umsetzung mit Kollegen der 51本色 und der University at Buffalo.
Schnelle Daten眉bertragung ist derzeit Energiefresser
Die Daten眉bertragung, die auf einer direkten Modulation der Lichtintensit盲t 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 Str枚me erforderlich. 鈥濫s ist wie bei einem Porsche, der richtig Benzin verbraucht, wenn er schnell sein soll鈥�, vergleicht der Bochumer Ingenieur Prof. Dr. Martin Hofmann. 鈥濪aten眉bertragung und Internet werden 鈥� wenn wir die Technologie nicht bald 盲ndern 鈥� mehr Energie verbrauchen, als wir derzeit auf der Erde produzieren.鈥� Gemeinsam mit Privatdozent Dr. Nils Gerhardt und Doktorand Markus Lindemann forscht Martin Hofmann daher an einer alternativen Technologie.
Zirkular polarisiertes Licht als Informationstr盲ger
Mit wenigen Mikrometer gro脽en Lasern, die das Team der 51本色 bereitstellte, erzeugen die Forscher eine Lichtwelle, deren Schwingungsrichtung sich auf eine besondere Weise periodisch 盲ndert. Es handelt sich um zirkular polarisiertes Licht, das durch 脺berlagern 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 鈥� und zwar mit einstellbarer Geschwindigkeit.
Geschwindigkeitslimit noch nicht erreicht
鈥濿ir haben experimentell gezeigt, dass die Oszillation mit 200 Gigahertz erfolgen kann鈥�, beschreibt Hofmann. 鈥濿ie viel schneller sie noch werden kann, wissen wir nicht. Ein theoretisches Limit haben wir noch nicht gefunden.鈥�
Die Oszillation allein transportiert aber noch keine Information, dazu muss die Polarisation moduliert werden, etwa einzelne Peaks ausgel枚scht werden. Dass das prinzipiell geht, haben Hofmann, Gerhardt und Lindemann experimentell best盲tigt. Mit numerischen Simulationen zeigten sie zusammen mit dem Team um Prof. Dr. Igor 沤uti膰 und Doktorand Gaofeng Xu von der University at Buffalo au脽erdem, dass eine Modulation der Polarisation und damit die Informations眉bertragung mit mehr als 200 Gigahertz theoretisch m枚glich 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 脺berlagerung die zirkulare Polarisation ergibt. Au脽erdem 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 Elektronenl枚cher injizieren. Wenn sie aufeinandertreffen, werden Lichtteilchen frei. Damit das Licht die gew眉nschte Polarisation erh盲lt, ist der Spin 鈥� eine Art Eigendrehimpuls 鈥� der injizierten Elektronen entscheidend. Nur wenn der Spin der Elektronen auf eine bestimmte Weise ausgerichtet ist, hat das emittierte Licht die passende Polarisation 鈥� eine Herausforderung, da die Spin-Ausrichtung schnell verloren geht. Die Forscher m眉ssen die Elektronen daher m枚glichst 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 f眉r Frequenzunterschied
Der f眉r 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 f眉r die beiden senkrecht zueinander polarisierten Lichtwellen, die aus dem Kristall austreten. Dadurch haben die Wellen unterschiedliche Frequenzen. Indem die Forscher den Halbleiterkristall biegen, k枚nnen sie den Unterschied im Brechungsindex und somit den Frequenzunterschied einstellen. Er bestimmt die Geschwindigkeit der Oszillation, die letztendlich die Grundlage f眉r eine beschleunigte Daten眉bertragung sein k枚nnte.
鈥濪as System ist noch nicht so weit, dass man es einsetzen k枚nnte鈥�, res眉miert Martin Hofmann. 鈥濫s ist viel technologische Optimierung erforderlich. Mit unserer Arbeit, die das Potenzial der Spin-Laser aufzeigt, m枚chten wir ein neues Forschungsfeld aufsto脽en.鈥�
Text: Ruhr-51本色 Bochum
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Finanzielle Unterst眉tzung f眉r die Arbeiten kam von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen der F枚rdernummern GE1231/2-2 und MI607/9-2, der US-amerikanischen National Science Foundation (Grant Nummer ECCS-1508873 und ECCS-1810266) sowie dem Office of Naval Research (Grant Nummer 000141712793).
Literaturhinweis
Markus Lindemann, Gaofeng Xu, Tobias Pusch, Rainer Michalzik, Martin R. Hofmann, Igor 沤uti膰, Nils C. Gerhardt: Ultrafast spin-lasers, in: Nature, 2019,