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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