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Der Transfer von Daten basiert heute 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 Prof. Dr. Martin Hofmann, Inhaber des Lehrstuhls für Photonik und Terahertztechnologie der Ruhr-Universität Bochum. Mithilfe von Spin-Lasern wollen die Forschenden Informationen in der Polarisation des Lichts anstatt in der Lichtintensität kodieren. Die Arbeiten fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft künftig im Rahmen eines Reinhart-Koselleck-Projekts mit 1,25 Millionen Euro für fünf Jahre.

Den Spin verändern statt Elektronen zu verschieben

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 rund 40 Gigahertz. Anders sieht es aus, wenn man die Information in der Polarisation des Lichts, genauer gesagt in einer Polarisationsoszillation codiert: In linear polarisiertem Licht schwingen Lichtwellen immer in der gleichen Ebene. Dreht sich die Schwingungsebene, spricht man von zirkular polarisiertem Licht. Die Bochumer Forschenden erzeugen 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 Forschenden den Spin von Elektronen in einem Laser gezielt beeinflussen, können sie die Oszillation auslösen.

Fünfmal schneller als Standardlaser

Die Basis dafür sind sogenannte Vertical-cavity surface-emitting lasers, die Martin Hofmann mit seinem Team im Rahmen des Reinhart-Koselleck-Projektes genauer untersuchen möchte. In diese Halbleiter-Laser injizieren die Forschenden Elektronen. Deren Spin richten sie so aus, dass die Polarisationsoszillationen entstehen. In einer 2019 in der Fachzeitschrift Nature erschienenen Arbeit zeigten sie, dass mit diesem Prinzip potenziell Modulationsfrequenzen von über 200 Gigahertz erreicht werden könnten. „Das ist mehr als fünfmal schneller als die schnellsten derzeit eingesetzten intensitätsmodulierten Standardlaser“, sagt Hofmann.

Ziel der Bochumer Ingenieure 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.