Ingenieurs van de Ruhr-Universität Bochum hebben een nieuw concept ontwikkeld voor snelle gegevensoverdracht via glasvezelkabels. In de huidige systemen een laser zendt lichtsignalen door de kabels en informatie wordt gecodeerd in de modulatie van lichtintensiteit. Het nieuwe systeem, een halfgeleider spinlaser, is in plaats daarvan gebaseerd op een modulatie van lichtpolarisatie. Gepubliceerd op 3 april 2019 in het tijdschrift Natuur , de studie toont aan dat spinlasers het vermogen hebben om minstens vijf keer zo snel te werken als de beste traditionele systemen, terwijl het slechts een fractie van de energie verbruikt. In tegenstelling tot andere op spin gebaseerde halfgeleidersystemen, de technologie werkt potentieel bij kamertemperatuur en vereist geen externe magnetische velden. Het Bochum-team van de leerstoel Photonics and Terahertz Technology implementeerde het systeem in samenwerking met collega's van de Ulm University en de University at Buffalo.

Snelle gegevensoverdracht is momenteel een energieslurper

Door fysieke beperkingen, gegevensoverdracht die is gebaseerd op een modulatie van lichtintensiteit zonder gebruik te maken van complexe modulatieformaten, kan alleen frequenties bereiken van ongeveer 40 tot 50 gigahertz. Om deze snelheid te bereiken, hoge elektrische stromen nodig. "Het is een beetje zoals een Porsche waar het brandstofverbruik dramatisch toeneemt als de auto snel rijdt, " vergelijkt professor Martin Hofmann, een van de ingenieurs uit Bochum. "Tenzij we de technologie binnenkort upgraden, data-overdracht en internet gaan meer energie verbruiken dan we nu op aarde produceren.” Samen met dr. Nils Gerhardt en promovendus Markus Lindemann, Martin Hofmann doet daarom onderzoek naar alternatieve technologieën.

Geleverd door de Universiteit van Ulm, de lasers, die slechts enkele micrometers groot zijn, werden door de onderzoekers gebruikt om een ​​lichtgolf te genereren waarvan de oscillatierichting periodiek op een bepaalde manier verandert. Het resultaat is circulair gepolariseerd licht dat wordt gevormd wanneer twee lineair loodrecht gepolariseerde lichtgolven elkaar overlappen.

Bij lineaire polarisatie, de vector die het elektrische veld van de lichtgolf beschrijft, oscilleert in een vast vlak. Bij circulaire polarisatie de vector draait rond de voortplantingsrichting. De truc:wanneer twee lineair gepolariseerde lichtgolven verschillende frequenties hebben, het proces resulteert in oscillerende circulaire polarisatie waarbij de oscillatierichting periodiek omkeert - met een door de gebruiker gedefinieerde frequentie van meer dan 200 gigahertz.

Snelheidslimiet nog niet bepaald

"We hebben experimenteel aangetoond dat oscillatie bij 200 gigahertz mogelijk is, ", beschrijft Hofmann. "Maar we weten niet hoeveel sneller het kan worden, omdat we nog geen theoretische limiet hebben gevonden."

De oscillatie alleen transporteert geen informatie; Voor dit doeleinde, de polarisatie moet worden gemoduleerd, bijvoorbeeld door individuele pieken weg te werken. Hofmann, Gerhardt en Lindemann hebben in experimenten aangetoond dat dit in principe kan. In samenwerking met het team van professor Igor Žutić en Ph.D. student Gaofeng Xu van de Universiteit van Buffalo, ze gebruikten numerieke simulaties om aan te tonen dat het theoretisch mogelijk is om de polarisatie te moduleren en, bijgevolg, de gegevensoverdracht met een frequentie van meer dan 200 gigahertz.

Het genereren van een gemoduleerde circulaire polarisatie

Twee factoren zijn bepalend om een ​​gemoduleerde circulaire polarisatiegraad te genereren:de laser moet zo worden gebruikt dat hij tegelijkertijd twee loodrechte lineair gepolariseerde lichtgolven uitzendt, waarvan de overlap leidt tot circulaire polarisatie. Bovendien, de frequenties van de twee uitgezonden lichtgolven moeten voldoende verschillen om snelle oscillatie mogelijk te maken.

Het laserlicht wordt gegenereerd in een halfgeleiderkristal, die wordt geïnjecteerd met elektronen en elektronengaten. Wanneer ze elkaar ontmoeten, lichtdeeltjes komen vrij. De spin – een intrinsieke vorm van impulsmoment – ​​van de geïnjecteerde elektronen is onmisbaar om de juiste polarisatie van licht te verzekeren. Alleen als de elektronenspin op een bepaalde manier is uitgelijnd, het uitgestraalde licht heeft de vereiste polarisatie – een uitdaging voor de onderzoekers, omdat de uitlijning van de spin snel verandert. Daarom moeten de onderzoekers de elektronen zo dicht mogelijk bij de plek in de laser injecteren waar het lichtdeeltje moet worden uitgezonden. Het team van Hofmann heeft al patent aangevraagd met hun idee hoe dit met een ferromagnetisch materiaal kan worden bereikt.

Frequentieverschil door dubbele breking

Het frequentieverschil in de twee uitgezonden lichtgolven dat nodig is voor oscillatie wordt gegenereerd met behulp van een technologie die wordt geleverd door het in Ulm gebaseerde team onder leiding van professor Rainer Michalzik. Het hiervoor gebruikte halfgeleiderkristal is dubbelbrekend. Overeenkomstig, de brekingsindices in de twee loodrecht gepolariseerde lichtgolven die door het kristal worden uitgezonden, verschillen enigszins. Als resultaat, de golven hebben verschillende frequenties. Door het halfgeleiderkristal te buigen, kunnen de onderzoekers het verschil tussen de brekingsindices aanpassen en, bijgevolg, het frequentieverschil. Dat verschil bepaalt de oscillatiesnelheid, die uiteindelijk de basis kan worden van versnelde gegevensoverdracht.

"Het systeem is nog niet klaar voor toepassing, " besluit Martin Hofmann. "De technologie moet nog worden geoptimaliseerd. Door het potentieel van spinlasers aan te tonen, we willen een nieuw onderzoeksgebied openen."

Ingenieurs van de Ruhr-Universität Bochum hebben een nieuw concept ontwikkeld voor snelle gegevensoverdracht via glasvezelkabels. In de huidige systemen een laser zendt lichtsignalen door de kabels en informatie wordt gecodeerd in de modulatie van lichtintensiteit. Het nieuwe systeem, een halfgeleider spinlaser, is in plaats daarvan gebaseerd op een modulatie van lichtpolarisatie. Gepubliceerd op 3 april 2019 in het tijdschrift Natuur , de studie toont aan dat spinlasers het vermogen hebben om minstens vijf keer zo snel te werken als de beste traditionele systemen, terwijl het slechts een fractie van de energie verbruikt. In tegenstelling tot andere op spin gebaseerde halfgeleidersystemen, de technologie werkt potentieel bij kamertemperatuur en vereist geen externe magnetische velden. Het Bochum-team van de leerstoel Photonics and Terahertz Technology implementeerde het systeem in samenwerking met collega's van de Ulm University en de University at Buffalo.

Snelle gegevensoverdracht is momenteel een energieslurper

Door fysieke beperkingen, gegevensoverdracht die is gebaseerd op een modulatie van lichtintensiteit zonder gebruik te maken van complexe modulatieformaten, kan alleen frequenties bereiken van ongeveer 40 tot 50 gigahertz. Om deze snelheid te bereiken, hoge elektrische stromen nodig. "Het is een beetje zoals een Porsche waar het brandstofverbruik dramatisch toeneemt als de auto snel rijdt, " vergelijkt professor Martin Hofmann, een van de ingenieurs uit Bochum. "Tenzij we de technologie binnenkort upgraden, data-overdracht en internet gaan meer energie verbruiken dan we nu op aarde produceren.” Samen met dr. Nils Gerhardt en promovendus Markus Lindemann, Martin Hofmann doet daarom onderzoek naar alternatieve technologieën.

Geleverd door de Universiteit van Ulm, de lasers, die slechts enkele micrometers groot zijn, werden door de onderzoekers gebruikt om een ​​lichtgolf te genereren waarvan de oscillatierichting periodiek op een bepaalde manier verandert. Het resultaat is circulair gepolariseerd licht dat wordt gevormd wanneer twee lineair loodrecht gepolariseerde lichtgolven elkaar overlappen.

Oscillerende circulaire polarisatie

Bij lineaire polarisatie, de vector die het elektrische veld van de lichtgolf beschrijft, oscilleert in een vast vlak. Bij circulaire polarisatie de vector draait rond de voortplantingsrichting. De truc:wanneer twee lineair gepolariseerde lichtgolven verschillende frequenties hebben, het proces resulteert in oscillerende circulaire polarisatie waarbij de oscillatierichting periodiek omkeert - met een door de gebruiker gedefinieerde frequentie van meer dan 200 gigahertz.

"We hebben experimenteel aangetoond dat oscillatie bij 200 gigahertz mogelijk is, ", beschrijft Hofmann. "Maar we weten niet hoeveel sneller het kan worden, omdat we nog geen theoretische limiet hebben gevonden."

De oscillatie alleen transporteert geen informatie; Voor dit doeleinde, de polarisatie moet worden gemoduleerd, bijvoorbeeld door individuele pieken weg te werken. Hofmann, Gerhardt en Lindemann hebben in experimenten aangetoond dat dit in principe kan. In samenwerking met het team van professor Igor Žutić en Ph.D. student Gaofeng Xu van de Universiteit van Buffalo, ze gebruikten numerieke simulaties om aan te tonen dat het theoretisch mogelijk is om de polarisatie te moduleren en, bijgevolg, de gegevensoverdracht met een frequentie van meer dan 200 gigahertz.

Het genereren van een gemoduleerde circulaire polarisatie

Twee factoren zijn bepalend om een ​​gemoduleerde circulaire polarisatiegraad te genereren:de laser moet zo worden gebruikt dat hij tegelijkertijd twee loodrechte lineair gepolariseerde lichtgolven uitzendt, waarvan de overlap leidt tot circulaire polarisatie. Bovendien, de frequenties van de twee uitgezonden lichtgolven moeten voldoende verschillen om snelle oscillatie mogelijk te maken.

Het laserlicht wordt gegenereerd in een halfgeleiderkristal, die wordt geïnjecteerd met elektronen en elektronengaten. Wanneer ze elkaar ontmoeten, lichtdeeltjes komen vrij. De spin – een intrinsieke vorm van impulsmoment – ​​van de geïnjecteerde elektronen is onmisbaar om de juiste polarisatie van licht te verzekeren. Alleen als de elektronenspin op een bepaalde manier is uitgelijnd, het uitgestraalde licht heeft de vereiste polarisatie – een uitdaging voor de onderzoekers, omdat de uitlijning van de spin snel verandert. Daarom moeten de onderzoekers de elektronen zo dicht mogelijk bij de plek in de laser injecteren waar het lichtdeeltje moet worden uitgezonden. Het team van Hofmann heeft al patent aangevraagd met hun idee hoe dit met een ferromagnetisch materiaal kan worden bereikt.

Frequentieverschil door dubbele breking

Het frequentieverschil in de twee uitgezonden lichtgolven dat nodig is voor oscillatie wordt gegenereerd met behulp van een technologie die wordt geleverd door het in Ulm gebaseerde team onder leiding van professor Rainer Michalzik. Het hiervoor gebruikte halfgeleiderkristal is dubbelbrekend. Overeenkomstig, de brekingsindices in de twee loodrecht gepolariseerde lichtgolven die door het kristal worden uitgezonden, verschillen enigszins. Als resultaat, de golven hebben verschillende frequenties. Door het halfgeleiderkristal te buigen, kunnen de onderzoekers het verschil tussen de brekingsindices aanpassen en, bijgevolg, het frequentieverschil. Dat verschil bepaalt de oscillatiesnelheid, die uiteindelijk de basis kan worden van versnelde gegevensoverdracht.

"Het systeem is nog niet klaar voor toepassing, " besluit Martin Hofmann. "De technologie moet nog worden geoptimaliseerd. Door het potentieel van spinlasers aan te tonen, we willen een nieuw onderzoeksgebied openen."