Быстрая передача данных в настоящее время является пожирателем энергии
Из-за физических ограничений передача данных, основанная на модуляции интенсивности света без использования сложных форматов модуляции, может достигать частот только от 40 до 50 гигагерц. Для достижения этой скорости необходимы высокие электрические токи. «Это немного похоже на Porsche, где расход топлива резко возрастает, если автомобиль движется быстро», – сравнивает профессор Мартин Хофманн, один из инженеров из Бохума. "Если мы не модернизируем технологию в ближайшее время, передача данных и Интернет будут потреблять больше энергии, чем мы в настоящее время производим на Земле."Вместе с доктором.
Поэтому Нильс Герхардт и аспирант Маркус Линдеманн, Мартин Хофманн исследуют альтернативные технологии.
Свет с круговой поляризацией как носитель информации
Предоставленные Ульмским университетом лазеры размером всего несколько микрометров использовались исследователями для генерации световой волны, направление колебаний которой периодически меняется определенным образом. В результате получается свет с круговой поляризацией, который образуется при перекрытии двух линейных перпендикулярно поляризованных световых волн.
В линейной поляризации вектор, описывающий электрическое поле световой волны, колеблется в фиксированной плоскости. В круговой поляризации вектор вращается вокруг направления распространения. Уловка: когда две линейно поляризованные световые волны имеют разные частоты, процесс приводит к колебательной круговой поляризации, при которой направление колебаний периодически меняется на противоположное – с определяемой пользователем частотой более 200 гигагерц.
Ограничение скорости пока не определено
«Мы экспериментально продемонстрировали, что возможны колебания на частоте 200 гигагерц», – описывает Хофманн. "Но мы не знаем, насколько это может стать быстрее, поскольку мы еще не нашли теоретического предела."
Само по себе колебание не несет никакой информации; для этого необходимо модулировать поляризацию, например, путем устранения отдельных пиков.
Хофманн, Герхард и Линдеманн экспериментально подтвердили, что это в принципе возможно. Совместно с командой профессора Игоря ?ути? и аспирант Гаофэн Сюй из Университета в Буффало, они использовали численное моделирование, чтобы продемонстрировать, что теоретически возможно модулировать поляризацию и, следовательно, передачу данных на частоте более 200 гигагерц.
Генерация модулированной круговой поляризации
Два фактора имеют решающее значение для создания степени модулированной круговой поляризации: лазер должен работать таким образом, чтобы он излучал одновременно две перпендикулярные линейно поляризованные световые волны, перекрытие которых приводит к круговой поляризации. Более того, частоты двух излучаемых световых волн должны достаточно различаться, чтобы облегчить высокоскоростные колебания.
Лазерный свет генерируется в кристалле полупроводника, в который инжектируются электроны и электронные дырки. Когда они встречаются, высвобождаются легкие частицы.
Спин – внутренняя форма углового момента – инжектированных электронов необходим для обеспечения правильной поляризации света. Только если спин электрона выровнен определенным образом, излучаемый свет имеет необходимую поляризацию – проблема для исследователей, поскольку выравнивание спина быстро меняется.
Вот почему исследователи должны вводить электроны как можно ближе к тому месту внутри лазера, где должна испускаться световая частица. Команда Хофманна уже подала заявку на патент с их идеей о том, как это можно сделать, используя ферромагнитный материал.
Разность частот за счет двойного лучепреломления
Разница частот двух излучаемых световых волн, необходимая для генерации колебаний, создается с использованием технологии, предоставленной командой из Ульма во главе с профессором Райнером Михальзиком. Используемый для этой цели полупроводниковый кристалл обладает двойным лучепреломлением. Соответственно, показатели преломления двух перпендикулярно поляризованных световых волн, излучаемых кристаллом, немного различаются.
В результате волны имеют разные частоты. Изгибая кристалл полупроводника, исследователи могут регулировать разницу между показателями преломления и, как следствие, разность частот.
Эта разница определяет скорость колебаний, которая в конечном итоге может стать основой ускоренной передачи данных.
«Система еще не готова к применению», – заключает Мартин Хофманн. "Технологию еще предстоит оптимизировать. Демонстрируя потенциал спиновых лазеров, мы хотим открыть новую область исследований."