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自旋激光器有助于快速数据传输

发布时间: 2019-05-10 09:06:54   作者:本站编辑   来源: sciencedaily.com   浏览次数:

  

  德国波鸿鲁尔大学(Ruhr-Universität BochumRUB)的工程师们开发了一种通过光纤电缆快速传输数据的新概念。在目前的系统中,激光通过电缆传输光信号,信息通过光强度调制进行编码。新系统是一种基于光偏振调制的半导体自旋激光器。这项研究成果于201943日发表在《自然》杂志上,研究表明自旋激光器的工作速度至少是传统系统的5倍,同时只消耗一小部分能量。与其他自旋半导体系统不同,这项技术可能在室温下工作,不需要任何外部磁场。波鸿鲁尔大学光子学和太赫兹技术团队与乌尔姆大学和布法罗大学的同事合作实施了这个系统。

  快速数据传输目前是一种能源消耗

  由于物理限制,基于光强度调制而不使用复杂调制格式的数据传输只能达到约4050千兆赫兹的频率。为了达到这个速度,需要大电流。”波鸿的工程师Martin Hofmann教授说:“这有点像保时捷,如果汽车开得快,油耗会急剧增加。”除非我们尽快升级技术,否则数据传输和互联网将消耗比我们目前地球上生产的更多的能源。”

  旋转偏振光作为信息载体

  由乌尔姆大学提供的这种激光器只有几微米大小,研究人员利用它来产生一种光波,这种光波的振荡方向以特定的方式周期性地改变。其结果是当两个垂直偏振的线性光波重叠时形成的圆偏振光。

   

图示:偏振描述了光波的振荡方向。线性偏振(红色,蓝色):描述光波电场在固定平面上振荡的矢量。圆偏振可以用两个垂直偏振的线性光波的叠加来描述。电场矢量绕传播方向旋转。如果重叠场的频率不同,则产生振荡旋转偏振(黑色)。旋转偏振度(绿色)根据频差进行调制。t是该调制的周期持续时间。 

  在线性偏振中,描述光波电场的矢量在固定平面上振荡。在旋转偏振中,矢量绕传播方向旋转。诀窍:当两个线性偏振的光波有不同的频率时,这个过程会导致振荡的旋转偏振,振荡的方向会周期性地反转——在用户定义的超过200千兆赫兹的频率下。

  限速尚未确定

  “我们已经通过实验证明了200千兆赫兹的振荡是可能的,” Hofmann说。但我们不知道它能快多少,因为我们还没有找到理论上的极限。”

  光振荡本身并不传输任何信息;为此,必须调制偏振,例如通过消除单个峰值。Hofmann, GerhardtLindemann 在实验中证实了这一点。与Igor Žutić 教授团队和徐高峰(音译)合作用数值模拟来证明理论上可以调节偏振,从而使数据传输的频率超过200千兆赫兹。

  调制旋转偏振的产生

  要产生调制的旋转偏振度,有两个因素是决定性的:激光器必须以一种方式工作,即同时发射两个垂直的线性偏振光波,其重叠导致旋转偏振。此外,两个发射的光波的频率必须相差足够大,以促进高速振荡。

  激光是在注入电子和电子空穴的半导体晶体中产生的。当它们相遇时,轻粒子被释放。为了确保光的正确偏振,注入电子的自旋(角动量的一种固有形式)是必不可少的。只有当电子自旋以某种方式排列时,所发射的光才具有所需的偏振作用——这对研究人员来说是一个挑战,因为自旋排列的变化很快。这就是为什么研究人员必须尽可能地将电子注入激光中要发射光粒子的地方。的团队已经申请了一项专利,他们的想法是如何使用铁磁材料来完成这项工作。

  双折射频差

  振动所需的两个发射光波的频率差是使用由雷纳·迈克尔齐克教授领导的基于ULM的团队提供的技术产生的。用于此目的的半导体晶体是双折射的。因此,晶体发出的两个垂直偏振光波的折射率略有不同。因此,波的频率不同。通过弯曲半导体晶体,研究人员能够调整折射率之间的差异,从而调整频率差异。这种差异决定了振荡速度,这可能最终成为加速数据传输的基础。

  编译自https://www.sciencedaily.com/releases/2019/04/190404094912.htm

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