Ein neues Konzept für den ultraschnellen Datentransfer über Glasfaserkabel haben Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum 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 vom Lehrstuhl für Photonik und Terahertztechnologie 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 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.“
Text: Ruhr-Universität Bochum
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).
Literaturhinweis
Markus Lindemann, Gaofeng Xu, Tobias Pusch, Rainer Michalzik, Martin R. Hofmann, Igor Žutić, Nils C. Gerhardt: Ultrafast spin-lasers, in: Nature, 2019, https://doi.org/10.1038/s41586-019-1073-y