Spin-lasere letter hurtig dataoverførsel

Ingeniører ved Ruhr-Universität Bochum har udviklet et nyt koncept til hurtig dataoverførsel via optiske fiberkabler. I de nuværende systemer, en laser transmitterer lyssignaler gennem kablerne, og information er kodet i moduleringen af ​​lysintensiteten. Det nye system, en halvleder spin laser, er baseret på en modulering af lyspolarisering i stedet. Udgivet den 3. april 2019 i tidsskriftet Natur , undersøgelsen viser, at spinlasere har kapacitet til at arbejde mindst fem gange så hurtigt som de bedste traditionelle systemer, mens de kun forbruger en brøkdel af energien. I modsætning til andre spin-baserede halvledersystemer, teknologien virker potentielt ved stuetemperatur og kræver ingen eksterne magnetiske felter. Bochum-teamet ved Chair of Photonics and Terahertz Technology implementerede systemet i samarbejde med kolleger fra Ulm University og University at Buffalo.

Hurtig dataoverførsel er i øjeblikket en energisluger

På grund af fysiske begrænsninger, dataoverførsel, der er baseret på en modulering af lysintensitet uden brug af komplekse moduleringsformater, kan kun nå frekvenser på omkring 40 til 50 gigahertz. For at opnå denne hastighed, høje elektriske strømme er nødvendige. "Det er lidt ligesom en Porsche, hvor brændstofforbruget stiger dramatisk, hvis bilen køres hurtigt, sammenligner professor Martin Hofmann, en af ​​ingeniørerne fra Bochum. "Medmindre vi snart opgraderer teknologien, dataoverførsel og internettet kommer til at forbruge mere energi, end vi i øjeblikket producerer på Jorden." Sammen med Dr. Nils Gerhardt og Ph.D.-studerende Markus Lindemann, Martin Hofmann forsker derfor i alternative teknologier.

Leveret af Ulm University, laserne, som kun er et par mikrometer store, blev brugt af forskerne til at generere en lysbølge, hvis oscillationsretning ændrer sig periodisk på en bestemt måde. Resultatet er cirkulært polariseret lys, der dannes, når to lineære vinkelret polariserede lysbølger overlapper hinanden.

I lineær polarisering, vektoren, der beskriver lysbølgens elektriske felt, svinger i et fast plan. I cirkulær polarisering, vektoren roterer rundt i udbredelsesretningen. Tricket:når to lineært polariserede lysbølger har forskellige frekvenser, processen resulterer i oscillerende cirkulær polarisering, hvor oscillationsretningen vender periodisk – ved en brugerdefineret frekvens på over 200 gigahertz.

Hastighedsgrænsen er endnu ikke fastlagt

"Vi har eksperimentelt vist, at oscillation ved 200 gigahertz er mulig, " beskriver Hofmann. "Men vi ved ikke, hvor meget hurtigere det kan blive, da vi ikke har fundet en teoretisk grænse endnu."

Oscillationen alene transporterer ingen information; til dette formål, polariseringen skal moduleres, for eksempel ved at eliminere individuelle toppe. Hofmann, Gerhardt og Lindemann har i forsøg verificeret, at dette principielt kan lade sig gøre. I samarbejde med holdet af professor Igor Žutić og ph.d. studerende Gaofeng Xu fra universitetet i Buffalo, de brugte numeriske simuleringer til at demonstrere, at det er teoretisk muligt at modulere polarisationen og, følgelig, dataoverførslen med en frekvens på mere end 200 gigahertz.

Generering af en moduleret cirkulær polarisation

To faktorer er afgørende for at generere en moduleret cirkulær polarisationsgrad:laseren skal betjenes på en måde, så den udsender to vinkelret lineært polariserede lysbølger samtidigt, hvis overlap resulterer i cirkulær polarisering. I øvrigt, frekvenserne af de to udsendte lysbølger skal adskille sig nok til at lette højhastighedssvingninger.

Laserlyset genereres i en halvlederkrystal, som injiceres med elektroner og elektronhuller. Når de mødes, lette partikler frigives. Spin - en iboende form for vinkelmomentum - af de indsprøjtede elektroner er uundværlig for at sikre den korrekte polarisering af lys. Kun hvis elektronspindet er justeret på en bestemt måde, det udsendte lys har den nødvendige polarisering – en udfordring for forskerne, da spinjusteringen ændrer sig hurtigt. Det er derfor, forskerne skal injicere elektronerne så tæt som muligt på det sted i laseren, hvor lyspartiklerne skal udsendes. Hofmanns team har allerede ansøgt om patent med deres idé om, hvordan dette kan opnås ved hjælp af et ferromagnetisk materiale.

Frekvensforskel gennem dobbelt brydning

Frekvensforskellen i de to udsendte lysbølger, der kræves til oscillation, genereres ved hjælp af en teknologi leveret af det Ulm-baserede team ledet af professor Rainer Michalzik. Den halvlederkrystal, der anvendes til dette formål, er dobbeltbrydende. Derfor, brydningsindekserne i de to vinkelret polariserede lysbølger, der udsendes af krystallen, er lidt forskellige. Som resultat, bølgerne har forskellige frekvenser. Ved at bøje halvlederkrystallen, forskerne er i stand til at justere forskellen mellem brydningsindekserne og, følgelig, frekvensforskellen. Denne forskel bestemmer oscillationshastigheden, som i sidste ende kan blive grundlaget for accelereret dataoverførsel.

"Systemet er ikke klar til anvendelse endnu, " slutter Martin Hofmann. "Teknologien mangler stadig at blive optimeret. Ved at demonstrere potentialet ved spin-lasere, vi ønsker at åbne et nyt forskningsområde."

Ingeniører ved Ruhr-Universität Bochum har udviklet et nyt koncept til hurtig dataoverførsel via optiske fiberkabler. I de nuværende systemer, en laser transmitterer lyssignaler gennem kablerne, og information er kodet i moduleringen af ​​lysintensiteten. Det nye system, en halvleder spin laser, er baseret på en modulering af lyspolarisering i stedet. Udgivet den 3. april 2019 i tidsskriftet Natur , undersøgelsen viser, at spinlasere har kapacitet til at arbejde mindst fem gange så hurtigt som de bedste traditionelle systemer, mens de kun forbruger en brøkdel af energien. I modsætning til andre spin-baserede halvledersystemer, teknologien virker potentielt ved stuetemperatur og kræver ingen eksterne magnetiske felter. Bochum-teamet ved Chair of Photonics and Terahertz Technology implementerede systemet i samarbejde med kolleger fra Ulm University og University at Buffalo.

Hurtig dataoverførsel er i øjeblikket en energisluger

På grund af fysiske begrænsninger, dataoverførsel, der er baseret på en modulering af lysintensitet uden brug af komplekse moduleringsformater, kan kun nå frekvenser på omkring 40 til 50 gigahertz. For at opnå denne hastighed, høje elektriske strømme er nødvendige. "Det er lidt ligesom en Porsche, hvor brændstofforbruget stiger dramatisk, hvis bilen køres hurtigt, sammenligner professor Martin Hofmann, en af ​​ingeniørerne fra Bochum. "Medmindre vi snart opgraderer teknologien, dataoverførsel og internettet kommer til at forbruge mere energi, end vi i øjeblikket producerer på Jorden." Sammen med Dr. Nils Gerhardt og Ph.D.-studerende Markus Lindemann, Martin Hofmann forsker derfor i alternative teknologier.

Leveret af Ulm University, laserne, som kun er et par mikrometer store, blev brugt af forskerne til at generere en lysbølge, hvis oscillationsretning ændrer sig periodisk på en bestemt måde. Resultatet er cirkulært polariseret lys, der dannes, når to lineære vinkelret polariserede lysbølger overlapper hinanden.

Oscillerende cirkulær polarisering

I lineær polarisering, vektoren, der beskriver lysbølgens elektriske felt, svinger i et fast plan. I cirkulær polarisering, vektoren roterer rundt i udbredelsesretningen. Tricket:når to lineært polariserede lysbølger har forskellige frekvenser, processen resulterer i oscillerende cirkulær polarisering, hvor oscillationsretningen vender periodisk – ved en brugerdefineret frekvens på over 200 gigahertz.

"Vi har eksperimentelt vist, at oscillation ved 200 gigahertz er mulig, " beskriver Hofmann. "Men vi ved ikke, hvor meget hurtigere det kan blive, da vi ikke har fundet en teoretisk grænse endnu."

Oscillationen alene transporterer ingen information; til dette formål, polariseringen skal moduleres, for eksempel ved at eliminere individuelle toppe. Hofmann, Gerhardt og Lindemann har i forsøg verificeret, at dette principielt kan lade sig gøre. I samarbejde med holdet af professor Igor Žutić og ph.d. studerende Gaofeng Xu fra universitetet i Buffalo, de brugte numeriske simuleringer til at demonstrere, at det er teoretisk muligt at modulere polarisationen og, følgelig, dataoverførslen med en frekvens på mere end 200 gigahertz.

Generering af en moduleret cirkulær polarisering

To faktorer er afgørende for at generere en moduleret cirkulær polarisationsgrad:laseren skal betjenes på en måde, så den udsender to vinkelret lineært polariserede lysbølger samtidigt, hvis overlap resulterer i cirkulær polarisering. I øvrigt, frekvenserne af de to udsendte lysbølger skal adskille sig nok til at lette højhastighedssvingninger.

Laserlyset genereres i en halvlederkrystal, som injiceres med elektroner og elektronhuller. Når de mødes, lette partikler frigives. Spin - en iboende form for vinkelmomentum - af de indsprøjtede elektroner er uundværlig for at sikre den korrekte polarisering af lys. Kun hvis elektronspindet er justeret på en bestemt måde, det udsendte lys har den nødvendige polarisering – en udfordring for forskerne, da spinjusteringen ændrer sig hurtigt. Det er derfor, forskerne skal injicere elektronerne så tæt som muligt på det sted i laseren, hvor lyspartiklerne skal udsendes. Hofmanns team har allerede ansøgt om patent med deres idé om, hvordan dette kan opnås ved hjælp af et ferromagnetisk materiale.

Frekvensforskel gennem dobbelt brydning

Frekvensforskellen i de to udsendte lysbølger, der kræves til oscillation, genereres ved hjælp af en teknologi leveret af det Ulm-baserede team ledet af professor Rainer Michalzik. Den halvlederkrystal, der anvendes til dette formål, er dobbeltbrydende. Derfor, brydningsindekserne i de to vinkelret polariserede lysbølger, der udsendes af krystallen, er lidt forskellige. Som resultat, bølgerne har forskellige frekvenser. Ved at bøje halvlederkrystallen, forskerne er i stand til at justere forskellen mellem brydningsindekserne og, følgelig, frekvensforskellen. Denne forskel bestemmer oscillationshastigheden, som i sidste ende kan blive grundlaget for accelereret dataoverførsel.

"Systemet er ikke klar til anvendelse endnu, " slutter Martin Hofmann. "Teknologien mangler stadig at blive optimeret. Ved at demonstrere potentialet ved spin-lasere, vi ønsker at åbne et nyt forskningsområde."