Spin-Laser

Schnellerer Datentransfer dank Quantenphysik

von Julia Weiler  

25. Februar 2015

 

Die optische Kommunikation über kurze Strecken mit Glasfaserkabeln funktioniert bereits ziemlich flott. RUB-Ingenieure wollen sie noch schneller machen. Sie haben ein neues Konzept für die Datenübertragung entwickelt, das auf einer quantenmechanischen Eigenschaft beruht: dem Spin.

Komplizierter Messaufbau: Markus Lindemann und Nils Gerhardt (rechts) testen die Einkopplung des Lasersystems in die Glasfaser. Die Forschung an Spin-Lasern ist Präzisionsarbeit. Das Team vom Lehrstuhl Photonik und Terahertztechnologie möchte die Datenübertragung in Serverfarmen schneller machen. Die Forscher verbiegen den Laser mit einem Nagel. Das aktive Material wird doppelbrechend.Ein Teil des Teams vom Lehrstuhl Photonik und Terahertztechnologie: PD Dr. Nils Gerhardt, Prof. Dr. Martin Hofmann und Markus Lindemann (v.r.n.l.) Bislang wird Information in Glasfaserkabeln durch Änderungen in der Lichtintensität kodiert. Das neue RUB-Verfahren setzt auf eine Modulation der Polarisation des Lichts, um eine schnellere Datenübertragung zu erreichen. Bislang wird Information in Glasfaserkabeln durch Änderungen in der Lichtintensität kodiert. Das neue RUB-Verfahren setzt auf eine Modulation der Polarisation des Lichts, um eine schnellere Datenübertragung zu erreichen.

Gibt man bei Google den Begriff „Spin-Laser“ ein, findet die Suchmaschine über 10.000 Einträge in rund 0,2 Sekunden. Ziemlich schnell. In Zukunft könnte es aber noch viel schneller gehen. Das Team vom Lehrstuhl Photonik und Terahertztechnologie arbeitet an einem neuen Konzept für die Datenübertragung in Serverfarmen. Informationen werden hier auf kurzem Wege über Glasfaserkabel zwischen den einzelnen Rechnern transportiert. Halbleiterlaser erzeugen Lichtpulse, die durch die Kabel laufen. Die Information ist dabei in der Änderung der Lichtintensität codiert. Je schneller man die Lichtintensität variiert, desto schneller kann man Informationen übertragen. Ändert man die Lichtintensität, indem man direkt den Strom moduliert, funktioniert das mit einer Maximalfrequenz von etwa 50 Gigahertz. Fundamentale physikalische Grenzen verhindern, dass das Verfahren deutlich schneller werden kann.

Abb. 1

Das Team vom Lehrstuhl Photonik und Terahertztechnologie will die Datenübertragung in Serverfarmen schneller machen.

© RUBIN, Foto: Gorczany

Das Team um Prof. Dr. Martin Hofmann und PD Dr. Nils Gerhardt (Abb. 1) arbeitet daher an einem völlig neuen Ansatz. Statt auf eine Modulation der Lichtintensität zu setzen, bedient sich die Gruppe der Polarisation des Lichts (Abb. 2): Lichtwellen schwingen; in linear polarisiertem Licht tun sie das immer in der gleichen Ebene. Dreht sich die Schwingungsrichtung, spricht man von elliptisch oder zirkular polarisiertem Licht. Für ihre Zwecke generieren die RUB-Ingenieure eine spezielle Form von zirkular polarisiertem Licht, in dem die Polarisationsrichtung oszilliert (Abb. 2). Das heißt, sie wechselt ständig zwischen zwei Drehrichtungen hin und her. Dieser Wechsel kann viel schneller erfolgen, als sich die Intensität von Licht ändern kann. Aber warum? Die Variation der Lichtintensität durch Strommodulation beruht auf der Bewegung vieler Elektronen,  die sich nicht beliebig schnell verschieben lassen. Die Polarisationsoszillation hingegen basiert auf einer quantenmechanischen Eigenschaft der Elektronen, dem Spin, und kommt mit der Bewegung von wenigen Elektronen aus. Indem die Forscher die Spins einer Gruppe von Elektronen im Laser in die gleiche Orientierung bringen, erzeugen sie die oszillierende Polarisation. Den zugrunde liegenden Effekt haben sie im Detail entschlüsselt.

Abb. 2

Die Polarisation beschreibt die Schwingungsrichtung einer Lichtwelle. Lineare Polarisation (oben und Mitte): Der Vektor, der das elektrische Feld der Lichtwelle beschreibt, schwingt konstant in derselben Ebene. Zirkulare Polarisation: Die Spitze des elektrischen Feldvektors rotiert um die Ausbreitungsrichtung. Bei der oszillierenden zirkularen Polarisation (unten) dreht sich die Richtung der Schwingung immer wieder um; sie entsteht durch Überlagerung von Feld 1 (oben) und Feld 2 (unten). © RUBIN, Grafik: LS Photonik und Terahertztechnologie

„Die hochfrequente Oszillation war mehr oder weniger eine Zufallsentdeckung, die wir in einem anderen Experiment gemacht haben“, erzählt Martin Hofmann. Seinem Team war zwar sofort klar, dass sich der Effekt für eine schnelle Datenkommunikation eignen könnte. „Aber wir mussten erst einmal verstehen, wo er herkommt.“ Dafür muss man sich zunächst das Funktionsprinzip eines Lasers vergegenwärtigen (Abb. 3). Laser sind extrem leuchtstark und erzeugen Licht mit einer konstanten Wellenlänge, wobei die Wellenlänge die Lichtfarbe bestimmt. Um das zu erreichen, wird Licht immer wieder zwischen zwei Spiegeln hin und her reflektiert. Dabei wandert es durch das sogenannte aktive Material, welches die Lichtteilchen (Photonen) „klont“ und somit das Licht verstärkt. Allerdings werden nur Photonen mit einer bestimmten Wellenlänge verstärkt; diese hängt vom Abstand der Spiegel zueinander ab. Mit einem solchen Standardlaser lässt sich aber noch keine oszillierende Polarisation erzeugen. Die Ingenieure nutzen stattdessen spezielle Halbleiterlaser, in denen das aktive Material doppelbrechend ist. Aufgrund der Doppelbrechung wird nicht nur eine einzige Wellenlänge im Laser verstärkt wird, sondern zwei leicht unterschiedliche. Die so entstehenden Lichtbündel unterscheiden sich aber nicht nur in ihrer Wellenlänge, sondern auch in ihrer Polarisation: Beide Bündel sind linear polarisiert, mit senkrecht zueinander stehenden Polarisationsrichtungen. Die Überlagerung  dieser zwei Arten von Lichtwellen führt  in der Summe zur oszillierenden zirkularen Polarisation des Lasers.

Abb. 3

Funktionsweise eines herkömmlichen Lasers: Licht wird zwischen zwei Spiegeln immer wieder reflektiert und dabei vom aktiven Material verstärkt. Um den leuchtstarken Laserstrahl zu erzeugen, wird zusätzliche Energie ins System gepumpt. Einer der Spiegel ist leicht durchlässig, so dass das Laserlicht durch ihn austreten kann. © RUBIN, Grafik: VISUELL MARKETING

Das passiert aber nicht ohne Zutun der Wissenschaftler. Damit der Laser das gewünschte Licht erzeugt, müssen sie die richtigen Bedingungen im aktiven Material schaffen. Hier kommt der Spin der Elektronen ins Spiel. Er kann in zwei Zuständen vorliegen, den Ausrichtungen „up“ und „down“. Im aktiven Material [infobox:2:entstehen Photonen], deren Polarisationsrichtung abhängig vom Spin des Elektrons ist. Normalerweise sind die beiden Spinzustände „up“ und „down“ gleich wahrscheinlich. Die Wissenschaftler sorgen jedoch dafür, dass eine der beiden Ausrichtungen überwiegt, und manipulieren so die Polarisationsrichtung des entstehenden Lichts. Dadurch sorgen sie dafür, dass zwei Arten von Lichtwellen aus dem Laser austreten – unterschiedlich in Wellenlänge und Polarisationsrichtung. Addiert ergeben sie die gewünschte Oszillation.

Abb. 4

Die Oszillation der Polarisationsrichtung stellt die Trägerwelle für die Datenkommunikation dar (oben). In diesem regelmäßigen Signal ist aber noch keine Information codiert. Dafür muss die Trägerwelle moduliert werden, zum Beispiel indem man einzelne Peaks auslöscht oder verstärkt – ähnlich wie ein Morsecode aus einer unregelmäßigen Abfolge von kurzen und langen Signalen besteht. Im unteren Teil ist dieses Prinzip verdeutlicht. Die gezeigte Signal gibt die binäre Darstellung des Lehrstuhlakronyms PTT wieder (01010000 01010100 01010100). Die © RUBIN, Grafik: LS Photonik und Terahertztechnologie

Die Oszillation allein transportiert aber noch keine Informationen. „Sie ist nur die Trägerwelle, so wie eine bestimmte Sendefrequenz beim Radio“, vergleicht Prof. Hofmann. Um Daten zu codieren, müssen die Forscher die Trägerwelle modulieren, etwa einzelne Peaks auslöschen (Abb. 4). Dass das mit ihrem Verfahren möglich ist, haben Hofmann, Gerhardt und ihre Kollegen bereits gezeigt. Auch hierfür nutzen sie wieder die Orientierung der Spins. Mit der ersten Spin-Ausrichtung im Laser erzeugen die Forscher die Trägerwelle. Mit einer zweiten Spin-Ausrichtung zu einem späteren Zeitpunkt können sie diese Welle verändern: Sie schicken eine zweite Lichtwelle, die sich mit der ersten überlagert und durch destruktive Interferenz die Oszillation auslöscht. Diese Prozedur können sie in verschiedenen Abständen wiederholen und so Information in dem Signal codieren.

Abb. 5

Um die oszillierende Polarisation zu erzeugen, verbiegen die Forscher die Laser mit einem Nagel (links). Dadurch verliert das aktive Material seine Symmetrie und wird doppelbrechend. Je stärker der Laser verbogen ist, desto schneller ist im Allgemeinen die Oszillation. © RUBIN, Foto: Schirdewahn

Die Spin-Laser für die Experimente liefern Kooperationspartner der Universität Ulm. Sie modifizieren konventionelle Lasersysteme, so dass sie doppelbrechend werden (Abb. 5). Die RUB-Forscher haben damit bereits eine Trägerwelle mit einer Oszillationsfrequenz von mehr als 20 Gigahertz erzeugt und moduliert. Das ist schneller, als sich die Lichtintensität des gleichen Lasers mittels konventioneller Strommodulation variieren lässt. Damit erreichen sie zwar noch nicht die Werte, die die besten konventionellen Laser auf dem Markt schaffen. Aber aufgrund von theoretischen Modellierungen sind sie optimistisch, dass sich mit den Spin-Lasern auch bei Raumtemperatur Frequenzen von mehr als 100 Gigahertz realisieren lassen. Damit könnte die Datenübertragungsgeschwindigkeit potenziell mehr als verdoppelt werden. Viele Gruppen erforschen spinbasierte Technologien bei extrem tiefen Temperaturen, weil die Spin-Ausrichtung unter solchen Bedingungen stabiler ist. Denn anders als zum Beispiel die Ladung ist der Spin keine Erhaltungsgröße. „Wenn ich ihn ausrichte, geht er auch schnell wieder verloren“, sagt Nils Gerhardt. „In unserem System in etwa 20 Pikosekunden“. Also in 0,00000000002 Sekunden. Spin-Laser für tiefe Temperaturen zu entwickeln, kommt für die Bochumer trotzdem nicht in Frage: „Wir sind Ingenieure. Wir wollen, dass unser System am Ende auch wirklich anwendbar ist“, so Gerhardt. „Unser Ziel ist es deshalb, möglichst schnell etwas mit dem Spin zu machen, also innerhalb der 20 Pikosekunden, bevor er verloren geht. Wir optimieren daher die Transportpfade für die Elektronen, bringen sie schnell dorthin, wo sie Licht emittieren sollen.“ All das geschieht im Rahmen des Projekts „Ultraschnelle Spin-Laser für Modulationsfrequenzen im Bereich von 100 GHz“, das die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert.

In einem anderen Projekt bearbeitet der Lehrstuhl eine zweite Baustelle im Bereich Spin-Laser. Hier treibt die Forscher die Frage um, wie sich die Spins der Elektronen im aktiven Material am besten ausrichten lassen. Bislang geschieht das optisch mithilfe von polarisiertem Licht. In Zukunft soll die Spin-Ausrichtung aber elektrisch erfolgen. Der Traum von Martin Hofmann und Nils Gerhardt ist, dass beide Projekte eines Tages ineinandergreifen und anwendbare Bauteile hervorgehen lassen.

Spin

Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft von Elementarteilchen, die sich der Wahrnehmung der menschlichen Sinne entzieht. Stellt man sich ein Elektron klassisch als Kugel vor – was in Wirklichkeit nicht stimmt, da Elektronen sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften aufweisen –, kann man den Spin als Eigendrehimpuls beschreiben, der die Kugel zum Rotieren bringt. Die Rotation kann in zwei Richtungen erfolgen, Spin-up und Spin-down genannt.

So funktioniert ein Laser

Eine entscheidende Komponente eines Lasers ist das aktive Material. Es kann gasförmig (z. B. CO2), flüssig (z. B. Farbstofflösungen) oder fest sein (z. B. Halbleiter). Von außen wird Energie in das aktive Material gepumpt, wodurch Elektronen in einen energetisch höheren Zustand versetzt werden. Trifft ein Photon (Lichtteilchen) auf angeregtes Material, kann das dazu führen, dass das Elektron in einen energetisch niedrigeren Zustand zurückfällt und ein Photon ausgestrahlt wird. Das ausgestrahlte Photon hat genau die gleichen Eigenschaften wie das stimulierende Photon. Das stimulierende Photon hat sich also quasi selbst geklont. Die Photonen werden im Laser zwischen zwei Spiegeln (Resonator) hin und her reflektiert; dabei durchqueren sie immer wieder das aktive Material und können weitere Photonen gleicher Energie erzeugen. Auf diese Weise wird Licht im Laser verstärkt. Einer der beiden Spiegel ist teilweise durchlässig, einige Photonen treten durch ihn aus. Sie stellen das eigentliche Laserlicht dar. Da alle Photonen die gleiche Energie besitzen, haben sie auch alle die gleiche Wellenlänge und somit die gleiche Farbe.

Doppelbrechung

Doppelbrechung tritt nicht nur in so komplexen Systemen wie den Spin-Lasern auf, sondern auch in natürlich vorkommenden Materialien wie Kalkspat, ein Mineral, das man zum Beispiel in Marmor findet. Legt man einen Kristall aus Kalkspat auf ein beschriftetes Blatt, erscheinen die Worte doppelt und gegeneinander versetzt. Die Ursache: In doppelbrechenden Materialien ist der Brechungsindex abhängig von der Polarisation des einfallenden Lichts und von der Richtung, in welcher das Licht durch das Material läuft. Der Brechungsindex ist eine optische Materialeigenschaft. An Grenzflächen zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex – etwa Luft und Wasser – wird Licht gebrochen; der Strahlenverlauf ändert seine Richtung. Doppelbrechende Materialien spalten Licht in zwei Bündel, die senkrecht zueinander polarisiert sind und unterschiedliche optische Wege nehmen. Im Halbleiter ist der optische Weg definiert als Brechungsindex mal Distanz. Für den Laser bedeutet das Folgendes: Die zwei durch Doppelbrechung entstehenden Lichtbündel nehmen unterschiedlich lange optische Wege. Das hat den gleichen Effekt, wie wenn die beiden Lichtbündel in zwei Lasern erzeugt würden, die leicht unterschiedliche Spiegelabstände haben. Das aktive Material verstärkt in den beiden Lichtbündeln leicht unterschiedliche Wellenlängen. Im doppelbrechenden Laser entstehen daher zwei Arten von Lichtwellen mit unterschiedlichen Wellenlängen und Polarisationsrichtungen.

Kontakt zum Fachbereich

Prof. Dr. Martin Hofmann, Dr. Nils Gerhardt
Photonik und Terahertztechnologie
Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Ruhr-Universität Bochum
44780 Bochum
Tel. 0234/32-22259, -26514
E-Mail: martin.hofmann@rub.de, nils.gerhardt@rub.de

 

Download hochauflösender Bilder

Markieren Sie die gewünschten Bilder und akzeptieren Sie unsere Nutzungsbedingungen.
Der Download der gewählten Bilder erfolgt als ZIP-Datei.

Nutzungsbedingungen
Die Verwendung der Bilder ist nur im Kontext der Berichterstattung zu
RUBIN – Wissenschaftsmagazin der RUB und unter Angabe der entsprechenden Copyrights für die Presse frei.



Ich akzeptiere die Nutzungsbedingungen.