Forschung & Entwicklung

Spinlaser für den ultraschnellen Datentransfer

Ein neues Konzept für den ultraschnellen Datentransfer über Glasfaserkabel basiert auf einem Halbleiterspinlaser. Das neue System arbeitet mit Änderungen in der Lichtpolarisation und ist mindestens fünfmal schneller als die besten herkömmlichen Systeme.

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. Datenübertragung und Internet werden – wenn sich die Technologie nicht bald ändert – mehr Energie verbrauchen, als wir derzeit auf der Erde produzieren. Gemeinsam mit Privatdozent Dr. Nils Gerhardt und Doktorand Markus Lindemann forscht Professor Martin Hofmann von der Ruhr-Universität Bochum daher an einer alternativen Technologie.

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. 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.

 „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 die Wissenschaftler experimentell bestätigt. Mit numerischen Simulationen zeigten sie zusammen mit dem Team um Professor Igor Žutić von der University at Buffalo außerdem, dass eine Modulation der Polarisation und damit die Informationsübertragung mit mehr als 200 Gigahertz theoretisch möglich ist.

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 Photonen frei. Damit das Licht die gewünschte Polarisation erhält, ist der Spin 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 Spinausrichtung schnell verloren geht. Die Forscher müssen die Elektronen daher möglichst nah an der Stelle in den Laser einbringen, an der auch das Photon entstehen soll. Eine Idee, wie das mithilfe eines ferromagnetischen Materials gelingen kann, hat Hofmanns Team bereits zum Patent angemeldet.

Der für die Oszillation erforderliche Frequenzunterschied in den beiden emittierten Lichtwellen wird mit einer Technik des Ulmer Teams um Professor Rainer Michalzik 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 Spinlaser aufzeigt, möchten wir ein neues Forschungsfeld aufstoßen.“

von mn

Originalveröffentlichung:

[M. Lindemann, G. Xu, T. Pusch, R. Michalzik, M. R. Hofmann, I. Žutić, N. C. Gerhardt, Ultrafast spin-lasers, Nature (2019), DOI: 10.1038/s41586-019-1073-y]

www.ruhr-uni-bochum.de

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