Technologie

Ultraschneller Datentransfer per Spin-Laser

19.04.2022 - Forscher wollen Informationen in der Polarisation des Lichts statt in der Lichtintensität kodieren.

Der Transfer von Daten basiert heute über­wiegend auf Licht­pulsen, die durch Glas­faser­kabel geschickt werden. Je schneller die Licht­inten­sität variiert, desto schneller kann man Infor­ma­tionen über­tragen. Funda­mentale physi­ka­lische Grenzen der Laser, die das modulierte Licht erzeugen, verhindern jedoch, dass das Verfahren viel schneller werden kann, als es derzeit ist. An einer Alter­native arbeitet das Team um Martin Hofmann, von der Ruhr-Universität Bochum. Mithilfe von Spin-Lasern wollen die Forscher Infor­ma­tionen in der Polari­sa­tion des Lichts anstatt in der Licht­inten­sität kodieren.

Änderungen der Lichtintensität werden durch eine Strom­modula­tion herbei­ge­führt. Dafür müssen viele Elektronen bewegt werden, was nicht beliebig schnell geht, sondern mit einer Frequenz von maximal etwa vierzig Gigahertz. Anders sieht es aus, wenn man die Information in der Polari­sation des Lichts, genauer gesagt in einer Polari­sations­oszil­lation kodiert: In linear polari­siertem Licht schwingen Licht­wellen immer in der gleichen Ebene. Dreht sich die Schwingungs­ebene, spricht man von zirkular polari­siertem Licht. Das Team erzeugt eine besondere Form von zirkular polari­siertem Licht, dessen Polari­sations­zustand extrem schnell variiert.

Diese Polarisationsoszillationen nutzen eine quanten­mechanische Eigen­schaft der Elektronen, den Spin, und unter­liegen damit nicht den gleichen Limita­tionen wie die Änderung der Licht­inten­sität. Indem die Forscher den Spin von Elektronen in einem Laser gezielt beein­flussen, können sie die Oszil­lation auslösen.

Die Basis dafür sind „Vertical-cavity surface-emitting laser“, die Hofmann mit seinem Team im Rahmen eines von der DFG mit 1,25 Millionen Euro für fünf Jahre geförderten Reinhart-Koselleck-Projekts genauer unter­suchen möchte. In diese Halbleiter-Laser injizieren die Forscher Elektronen. Deren Spin richten sie so aus, dass die Polari­sations­oszilla­tionen entstehen. Bereits 2019 zeigten sie, dass mit diesem Prinzip potenziell Modulations­frequenzen von über zwei­hundert Gigahertz erreicht werden könnten.

„Das ist mehr als fünfmal schneller als die schnellsten derzeit einge­setzten inten­sitäts­modu­lierten Standard­laser“, sagt Hofmann. Ziel des Teams ist es, Bauelemente basierend auf „Vertical-cavity surface-emitting lasers“ zu reali­sieren, die nicht nur um ein Viel­faches schneller als herkömm­liche Techniken sind, sondern dazu noch deutlich energie­effi­zienter als die der­zei­tigen Standard­laser.

RUB / RK

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