Schneller und energiearmer Datentransfer mit dem Spin-Laser

| Redakteur: Hendrik Härter

Spin-Laser in einer Halterung, mit der sich die Oszillationsfrequenz mechanisch kontrollieren lässt. Über eine justierbare Nadel kann ein elektrischer Kontakt hergestellt werden. Mithilfe des Lasers sollen energieeffizient Daten übertragen werden.
Spin-Laser in einer Halterung, mit der sich die Oszillationsfrequenz mechanisch kontrollieren lässt. Über eine justierbare Nadel kann ein elektrischer Kontakt hergestellt werden. Mithilfe des Lasers sollen energieeffizient Daten übertragen werden. (Bild: RUB, Kramer)

Daten schneller und mit weniger Energie über Glasfaserkabel übertragen: Ein Halbleiter-Spin-Laser überträgt die Information, indem die Lichtpolarisation geändert wird. Die Technik funktioniert ohne externe Magnetfelder und bei Raumtemperatur. Allerdings lässt sich die Technik noch nicht praktisch einsetzen.

Eine Datenübertragung auf Basis einer direkten Modulation der Lichtintensität kann ohne komplexe Modulationskonzepte aufgrund physikalischer Grenzen nicht viel schneller als mit einer Frequenz von 40 bis 50 GHz erfolgen. Um diese Geschwindigkeit zu erreichen, sind hohe elektrische Ströme erforderlich. „Es ist wie bei einem Porsche, der viel Treibstoff verbraucht, wenn er schnell sein soll“, vergleicht es Prof. Dr. Martin Hofmann von der Ruhr-Universität Bochum. „Datenübertragung und Internet werden, wenn wir die Technologie nicht bald ändern, mehr Energie verbrauchen, als wir derzeit auf der Erde produzieren.“

Zusammen mit Privatdozent Dr. Nils Gerhardt und Doktorand Markus Lindemann forscht Martin Hofmann daher an einer alternativen Übertragungstechnik. Als Informationsträger dient zirkular polarisiertes Licht: 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. Dieses zirkular polarisiertes Licht entsteht durch Überlagern zweier linear senkrecht zueinander polarisierter Lichtwellen.

Geschwindigkeitslimit noch nicht erreicht

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.

„Wir haben experimentell gezeigt, dass die Oszillation mit 200 GHz 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 GHz theoretisch möglich ist.

Die Modulation erzeugen

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. Das Problem ist, dass 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.

Frequenzunterschied mit Doppelbrechung

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.“

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