Spin-Laser für den ultraschnellen Datentransfer

Spin-Laser in einer Halterung, mit der sich die Oszillationsfrequenz mechanisch kontrollieren lässt. Über eine justierbare Nadel kann ein elektrischer Kontakt hergestellt werden. © RUB, Kramer

Das Bochumer Team vom Lehrstuhl für Photonik und Terahertztechnologie kooperierte für die Umsetzung mit Kollegen der Universität Ulm und der University at Buffalo. DIe Ergebnisse sind am 3. April 2019 in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht worden.

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 der Bochumer Ingenieur 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.“

Förderung

Finanzielle Unterstützung für die Arbeiten kam von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Fördernummern 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).

Privatdozent Dr. Nils Gerhardt, Prof. Dr. Martin Hofmann
Lehrstuhl für Photonik und Terahertztechnologie
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: 0234 32 23051
E-Mail: nils.gerhardt@rub.de, martin.Hofmann@rub.de

Markus Lindemann, Gaofeng Xu, Tobias Pusch, Rainer Michalzik, Martin R. Hofmann, Igor Žutić, Nils C. Gerhardt: Ultrafast spin-lasers, in: Nature, 2019, DOI: 10.1038/s41586-019-1073-y

Media Contact

Dr. Julia Weiler idw - Informationsdienst Wissenschaft

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie

Neuerungen und Entwicklungen auf den Gebieten der Informations- und Datenverarbeitung sowie der dafür benötigten Hardware finden Sie hier zusammengefasst.

Unter anderem erhalten Sie Informationen aus den Teilbereichen: IT-Dienstleistungen, IT-Architektur, IT-Management und Telekommunikation.

Zurück zur Startseite

Kommentare (0)

Schreib Kommentar

Neueste Beiträge

24.000 Kilometer in der Sekunde: Bislang schnellster Stern von Kölner Physikern entdeckt

Erforschung von Hochgeschwindigkeitssternen durch Teleskop in Südamerika / Kölscher „4711“-Stern braucht nur 7,6 Jahre um Schwarzes Loch zu umkreisen Dr. Florian Peißker und Professor Dr. Andreas Eckart vom I. Physikalischen…

Blick in einen G1-Tiegel während der Herstellung einer Sprühbeschichtung am Fraunhofer IISB. Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB

Auf den Spuren schädlicher Metalle

Hohe Materialperformance mit multikristallinen Siliziumblöcken Fraunhofer IISB, AlzChem AG und Wacker Chemie AG haben das BMWi-Verbundprojekt SYNERGIE abgeschlossen. Das SYNERGIE-Konsortium untersuchte, wie metallische Verunreinigungen in multikristallinen Siliziumblöcken entstehen. Spezies, Quellen…

Neues Konzept der bakteriellen Genregulation entdeckt

Bakterien sind unsere stetigen Begleiter: Die winzigen Lebewesen sind in und auf dem menschlichen Körper zu finden, ebenso wie auf dem von Tieren und Pflanzen.