Ingenjörer vid Ruhr-Universität Bochum har utvecklat ett nytt koncept för snabb dataöverföring via optiska fiberkablar. I nuvarande system, en laser överför ljussignaler genom kablarna och information kodas för modulering av ljusintensitet. Det nya systemet, en halvledarsnurrlaser, är baserad på en modulering av ljuspolarisering istället. Publicerad den 3 april 2019 i tidskriften Natur , studien visar att spinnlasrar har kapacitet att arbeta minst fem gånger så snabbt som de bästa traditionella systemen, samtidigt som den bara förbrukar en bråkdel av energi. Till skillnad från andra spinnbaserade halvledarsystem, tekniken fungerar potentiellt vid rumstemperatur och kräver inga externa magnetfält. Bochum -teamet vid Chair of Photonics och Terahertz Technology implementerade systemet i samarbete med kollegor från Ulm University och University at Buffalo.

Snabb dataöverföring är för närvarande en energigutare

På grund av fysiska begränsningar, dataöverföring som är baserad på en modulering av ljusintensitet utan att använda komplexa moduleringsformat kan bara nå frekvenser på cirka 40 till 50 gigahertz. För att uppnå denna hastighet, höga elektriska strömmar är nödvändiga. "Det är lite som en Porsche där bränsleförbrukningen ökar dramatiskt om bilen körs snabbt, "jämför professor Martin Hofmann, en av ingenjörerna från Bochum. "Om vi ​​inte uppgraderar tekniken snart, dataöverföring och Internet kommer att konsumera mer energi än vi för närvarande producerar på jorden. "Tillsammans med doktor Nils Gerhardt och doktorand Markus Lindemann, Martin Hofmann forskar därför i alternativ teknik.

Tillhandahålls av Ulm University, lasrarna, som bara är några mikrometer stora, användes av forskarna för att generera en ljusvåg vars oscillationsriktning periodiskt ändras på ett specifikt sätt. Resultatet är cirkulärt polariserat ljus som bildas när två linjära vinkelrätt polariserade ljusvågor överlappar varandra.

I linjär polarisering, vektorn som beskriver ljusvågens elektriska fält oscillerar i ett fast plan. I cirkulär polarisering, vektorn roterar runt förökningsriktningen. Tricket:när två linjärt polariserade ljusvågor har olika frekvenser, processen resulterar i oscillerande cirkulär polarisering där oscillationsriktningen vänder periodiskt-vid en användardefinierad frekvens på över 200 gigahertz.

Hastighetsbegränsning ännu inte fastställd

"Vi har experimentellt visat att svängning vid 200 gigahertz är möjlig, "beskriver Hofmann." Men vi vet inte hur mycket snabbare det kan bli, eftersom vi inte har hittat en teoretisk gräns ännu. "

Oscillationen ensam transporterar ingen information; för det här syftet, polariseringen måste moduleras, till exempel genom att eliminera enskilda toppar. Hofmann, Gerhardt och Lindemann har i experiment verifierat att detta i princip kan göras. I samarbete med teamet av professor Igor Žutić och doktorand. student Gaofeng Xu från universitetet i Buffalo, de använde numeriska simuleringar för att visa att det teoretiskt är möjligt att modulera polarisationen och, följaktligen, dataöverföringen med en frekvens av mer än 200 gigahertz.

Generering av en modulerad cirkulär polarisering

Två faktorer är avgörande för att generera en modulerad cirkulär polarisationsgrad:lasern måste drivas på ett sätt så att den avger två vinkelrätt linjärt polariserade ljusvågor samtidigt, vars överlappning resulterar i cirkulär polarisering. Dessutom, frekvenserna för de två utsända ljusvågorna måste skilja sig tillräckligt mycket för att underlätta höghastighetsoscillation.

Laserljuset genereras i en halvledarkristall, som injiceras med elektroner och elektronhål. När de träffas, ljuspartiklar frigörs. Spinnet - en inneboende form av vinkelmoment - hos de injicerade elektronerna är oumbärlig för att säkerställa korrekt polarisering av ljus. Endast om elektronspinnet är inriktat på ett visst sätt, det utsända ljuset har den nödvändiga polarisationen - en utmaning för forskarna, eftersom centrifugeringen ändras snabbt. Det är därför forskarna måste injicera elektronerna så nära som möjligt till den plats i lasern där ljuspartikeln ska avges. Hofmanns team har redan ansökt om patent med sin idé om hur detta kan åstadkommas med hjälp av ett ferromagnetiskt material.

Frekvensskillnad genom dubbel brytning

Frekvensskillnaden i de två utsända ljusvågorna som krävs för oscillation genereras med hjälp av en teknik från Ulm-baserade team som leds av professor Rainer Michalzik. Halvledarkristallen som används för detta ändamål är dubbelbrytande. Följaktligen, brytningsindexen i de två vinkelrätt polariserade ljusvågorna som avges av kristallen skiljer sig något åt. Som ett resultat, vågorna har olika frekvenser. Genom att böja halvledarkristallen, forskarna kan justera skillnaden mellan brytningsindex och, följaktligen, frekvensskillnaden. Den skillnaden bestämmer oscillationshastigheten, som så småningom kan bli grunden för accelererad dataöverföring.

"Systemet är inte klart för tillämpning ännu, "avslutar Martin Hofmann." Tekniken återstår att optimera. Genom att demonstrera potentialen hos snurrlasrar, vi vill öppna ett nytt forskningsområde. "

Ingenjörer vid Ruhr-Universität Bochum har utvecklat ett nytt koncept för snabb dataöverföring via optiska fiberkablar. I nuvarande system, en laser överför ljussignaler genom kablarna och information kodas för modulering av ljusintensitet. Det nya systemet, en halvledarsnurrlaser, är baserad på en modulering av ljuspolarisering istället. Publicerad den 3 april 2019 i tidskriften Natur , studien visar att spinnlasrar har kapacitet att arbeta minst fem gånger så snabbt som de bästa traditionella systemen, samtidigt som den bara förbrukar en bråkdel av energi. Till skillnad från andra spinnbaserade halvledarsystem, tekniken fungerar potentiellt vid rumstemperatur och kräver inga externa magnetfält. Bochum -teamet vid Chair of Photonics och Terahertz Technology implementerade systemet i samarbete med kollegor från Ulm University och University at Buffalo.

Snabb dataöverföring är för närvarande en energigutare

På grund av fysiska begränsningar, dataöverföring som är baserad på en modulering av ljusintensitet utan att använda komplexa moduleringsformat kan bara nå frekvenser på cirka 40 till 50 gigahertz. För att uppnå denna hastighet, höga elektriska strömmar är nödvändiga. "Det är lite som en Porsche där bränsleförbrukningen ökar dramatiskt om bilen körs snabbt, "jämför professor Martin Hofmann, en av ingenjörerna från Bochum. "Om vi ​​inte uppgraderar tekniken snart, dataöverföring och Internet kommer att konsumera mer energi än vi för närvarande producerar på jorden. "Tillsammans med doktor Nils Gerhardt och doktorand Markus Lindemann, Martin Hofmann forskar därför i alternativ teknik.

Tillhandahålls av Ulm University, lasrarna, som bara är några mikrometer stora, användes av forskarna för att generera en ljusvåg vars oscillationsriktning periodiskt ändras på ett specifikt sätt. Resultatet är cirkulärt polariserat ljus som bildas när två linjära vinkelrätt polariserade ljusvågor överlappar varandra.

Oscillerande cirkulär polarisering

I linjär polarisering, vektorn som beskriver ljusvågens elektriska fält oscillerar i ett fast plan. I cirkulär polarisering, vektorn roterar runt förökningsriktningen. Tricket:när två linjärt polariserade ljusvågor har olika frekvenser, processen resulterar i oscillerande cirkulär polarisering där oscillationsriktningen vänder periodiskt-vid en användardefinierad frekvens på över 200 gigahertz.

"Vi har experimentellt visat att svängning vid 200 gigahertz är möjlig, "beskriver Hofmann." Men vi vet inte hur mycket snabbare det kan bli, eftersom vi inte har hittat en teoretisk gräns ännu. "

Oscillationen ensam transporterar ingen information; för det här syftet, polariseringen måste moduleras, till exempel genom att eliminera enskilda toppar. Hofmann, Gerhardt och Lindemann har i experiment verifierat att detta i princip kan göras. I samarbete med teamet av professor Igor Žutić och doktorand. student Gaofeng Xu från universitetet i Buffalo, de använde numeriska simuleringar för att visa att det teoretiskt är möjligt att modulera polarisationen och, följaktligen, dataöverföringen med en frekvens av mer än 200 gigahertz.

Generering av en modulerad cirkulär polarisering

Två faktorer är avgörande för att generera en modulerad cirkulär polarisationsgrad:lasern måste drivas på ett sätt så att den avger två vinkelrätt linjärt polariserade ljusvågor samtidigt, vars överlappning resulterar i cirkulär polarisering. Dessutom, frekvenserna för de två utsända ljusvågorna måste skilja sig tillräckligt mycket för att underlätta höghastighetsoscillation.

Laserljuset genereras i en halvledarkristall, som injiceras med elektroner och elektronhål. När de träffas, ljuspartiklar frigörs. Spinnet - en inneboende form av vinkelmoment - hos de injicerade elektronerna är oumbärlig för att säkerställa korrekt polarisering av ljus. Endast om elektronspinnet är inriktat på ett visst sätt, det utsända ljuset har den nödvändiga polarisationen - en utmaning för forskarna, eftersom centrifugeringen ändras snabbt. Det är därför forskarna måste injicera elektronerna så nära som möjligt till den plats i lasern där ljuspartikeln ska avges. Hofmanns team har redan ansökt om patent med sin idé om hur detta kan åstadkommas med hjälp av ett ferromagnetiskt material.

Frekvensskillnad genom dubbel brytning

Frekvensskillnaden i de två utsända ljusvågorna som krävs för oscillation genereras med hjälp av en teknik från Ulm-baserade team som leds av professor Rainer Michalzik. Halvledarkristallen som används för detta ändamål är dubbelbrytande. Följaktligen, brytningsindexen i de två vinkelrätt polariserade ljusvågorna som avges av kristallen skiljer sig något åt. Som ett resultat, vågorna har olika frekvenser. Genom att böja halvledarkristallen, forskarna kan justera skillnaden mellan brytningsindex och, följaktligen, frekvensskillnaden. Den skillnaden bestämmer oscillationshastigheten, som så småningom kan bli grunden för accelererad dataöverföring.

"Systemet är inte klart för tillämpning ännu, "avslutar Martin Hofmann." Tekniken återstår att optimera. Genom att demonstrera potentialen hos snurrlasrar, vi vill öppna ett nytt forskningsområde. "