Markus Lindemann travaille sur le développement de lasers à spin ultrarapide dans le cadre de sa thèse de doctorat. Crédit : RUB, Kramer
Les ingénieurs de la Ruhr-Universität Bochum ont développé un nouveau concept de transfert rapide de données via des câbles à fibres optiques. Dans les systèmes actuels, un laser transmet des signaux lumineux à travers les câbles et les informations sont codées dans la modulation de l'intensité lumineuse. Le nouveau système, un laser à spin à semi-conducteur, repose plutôt sur une modulation de la polarisation de la lumière. Publié le 3 avril 2019 dans la revue La nature , l'étude démontre que les lasers à spin ont la capacité de travailler au moins cinq fois plus vite que les meilleurs systèmes traditionnels, tout en ne consommant qu'une fraction d'énergie. Contrairement à d'autres systèmes semi-conducteurs à spin, la technologie fonctionne potentiellement à température ambiante et ne nécessite aucun champ magnétique externe. L'équipe de Bochum de la Chaire de technologie photonique et térahertz a mis en œuvre le système en collaboration avec des collègues de l'Université d'Ulm et de l'Université de Buffalo.
Le transfert rapide de données est actuellement un consommateur d'énergie
En raison de limitations physiques, le transfert de données basé sur une modulation de l'intensité lumineuse sans utiliser de formats de modulation complexes ne peut atteindre que des fréquences d'environ 40 à 50 gigahertz. Pour atteindre cette vitesse, des courants électriques élevés sont nécessaires. "C'est un peu comme une Porsche où la consommation de carburant augmente considérablement si la voiture roule vite, " compare le professeur Martin Hofmann, l'un des ingénieurs de Bochum. « À moins que nous ne mettions la technologie à niveau bientôt, le transfert de données et Internet vont consommer plus d'énergie que ce que nous produisons actuellement sur Terre. » Avec le Dr Nils Gerhardt et le doctorant Markus Lindemann, Martin Hofmann est donc à la recherche de technologies alternatives.
Fourni par l'Université d'Ulm, les lasers, qui ne mesurent que quelques micromètres, ont été utilisés par les chercheurs pour générer une onde lumineuse dont la direction d'oscillation change périodiquement d'une manière spécifique. Le résultat est une lumière polarisée circulairement qui se forme lorsque deux ondes lumineuses linéaires polarisées perpendiculairement se chevauchent.
En polarisation linéaire, le vecteur décrivant le champ électrique de l'onde lumineuse oscille dans un plan fixe. En polarisation circulaire, le vecteur tourne autour de la direction de propagation. L'astuce :lorsque deux ondes lumineuses polarisées linéairement ont des fréquences différentes, le processus entraîne une polarisation circulaire oscillante où la direction d'oscillation s'inverse périodiquement - à une fréquence définie par l'utilisateur de plus de 200 gigahertz.
Limite de vitesse encore indéterminée
"Nous avons démontré expérimentalement qu'une oscillation à 200 gigahertz est possible, " décrit Hofmann. "Mais nous ne savons pas à quel point cela peut devenir plus rapide, car nous n'avons pas encore trouvé de limite théorique."
L'oscillation seule ne transporte aucune information; dans ce but, la polarisation doit être modulée, par exemple en éliminant les pics individuels. Hofmann, Gerhardt et Lindemann ont vérifié expérimentalement que cela peut être fait en principe. En collaboration avec l'équipe du professeur Igor Žutić et Ph.D. l'étudiant Gaofeng Xu de l'Université de Buffalo, ils ont utilisé des simulations numériques pour démontrer qu'il est théoriquement possible de moduler la polarisation et, par conséquent, le transfert de données à une fréquence de plus de 200 gigahertz.
La génération d'une polarisation circulaire modulée
Deux facteurs sont déterminants pour générer un degré de polarisation circulaire modulé :le laser doit fonctionner de manière à émettre simultanément deux ondes lumineuses perpendiculaires polarisées linéairement, dont le chevauchement se traduit par une polarisation circulaire. De plus, les fréquences des deux ondes lumineuses émises doivent différer suffisamment pour faciliter l'oscillation à grande vitesse.
La lumière laser est générée dans un cristal semi-conducteur, qui est injecté d'électrons et de trous d'électrons. Quand ils se rencontrent, des particules légères sont libérées. Le spin – forme intrinsèque du moment cinétique – des électrons injectés est indispensable pour assurer la bonne polarisation de la lumière. Seulement si le spin électronique est aligné d'une certaine manière, la lumière émise a la polarisation requise – un défi pour les chercheurs, car l'alignement de la rotation change rapidement. C'est pourquoi les chercheurs doivent injecter les électrons au plus près du point du laser où la particule lumineuse doit être émise. L'équipe de Hofmann a déjà déposé une demande de brevet avec son idée de la façon dont cela peut être accompli à l'aide d'un matériau ferromagnétique.
Différence de fréquence par double réfraction
La différence de fréquence entre les deux ondes lumineuses émises, nécessaire à l'oscillation, est générée à l'aide d'une technologie fournie par l'équipe d'Ulm dirigée par le professeur Rainer Michalzik. Le cristal semi-conducteur utilisé à cet effet est biréfringent. Par conséquent, les indices de réfraction des deux ondes lumineuses polarisées perpendiculairement émises par le cristal diffèrent légèrement. Par conséquent, les ondes ont des fréquences différentes. En courbant le cristal semi-conducteur, les chercheurs sont capables d'ajuster la différence entre les indices de réfraction et, par conséquent, la différence de fréquence. Cette différence détermine la vitesse d'oscillation, qui peut éventuellement devenir le fondement d'un transfert de données accéléré.
"Le système n'est pas encore prêt pour l'application, " conclut Martin Hofmann. " La technologie doit encore être optimisée. En démontrant le potentiel des lasers à spin, nous souhaitons ouvrir un nouveau domaine de recherche.
Spin lasers dont la fréquence d'oscillation peut être contrôlée mécaniquement via la monture. Le contact électrique peut être établi via une aiguille réglable. Crédit : RUB, Kramer
Les ingénieurs de la Ruhr-Universität Bochum ont développé un nouveau concept de transfert rapide de données via des câbles à fibres optiques. Dans les systèmes actuels, un laser transmet des signaux lumineux à travers les câbles et les informations sont codées dans la modulation de l'intensité lumineuse. Le nouveau système, un laser à spin à semi-conducteur, repose plutôt sur une modulation de la polarisation de la lumière. Publié le 3 avril 2019 dans la revue La nature , l'étude démontre que les lasers à spin ont la capacité de travailler au moins cinq fois plus vite que les meilleurs systèmes traditionnels, tout en ne consommant qu'une fraction d'énergie. Contrairement à d'autres systèmes semi-conducteurs à spin, la technologie fonctionne potentiellement à température ambiante et ne nécessite aucun champ magnétique externe. L'équipe de Bochum de la Chaire de technologie photonique et térahertz a mis en œuvre le système en collaboration avec des collègues de l'Université d'Ulm et de l'Université de Buffalo.
Le transfert rapide de données est actuellement un consommateur d'énergie
En raison de limitations physiques, le transfert de données basé sur une modulation de l'intensité lumineuse sans utiliser de formats de modulation complexes ne peut atteindre que des fréquences d'environ 40 à 50 gigahertz. Pour atteindre cette vitesse, des courants électriques élevés sont nécessaires. "C'est un peu comme une Porsche où la consommation de carburant augmente considérablement si la voiture roule vite, " compare le professeur Martin Hofmann, l'un des ingénieurs de Bochum. « À moins que nous ne mettions la technologie à niveau bientôt, le transfert de données et Internet vont consommer plus d'énergie que ce que nous produisons actuellement sur Terre. » Avec le Dr Nils Gerhardt et le doctorant Markus Lindemann, Martin Hofmann est donc à la recherche de technologies alternatives.
Fourni par l'Université d'Ulm, les lasers, qui ne mesurent que quelques micromètres, ont été utilisés par les chercheurs pour générer une onde lumineuse dont la direction d'oscillation change périodiquement d'une manière spécifique. Le résultat est une lumière polarisée circulairement qui se forme lorsque deux ondes lumineuses linéaires polarisées perpendiculairement se chevauchent.
Polarisation circulaire oscillante
En polarisation linéaire, le vecteur décrivant le champ électrique de l'onde lumineuse oscille dans un plan fixe. En polarisation circulaire, le vecteur tourne autour de la direction de propagation. L'astuce :lorsque deux ondes lumineuses polarisées linéairement ont des fréquences différentes, le processus entraîne une polarisation circulaire oscillante où la direction d'oscillation s'inverse périodiquement - à une fréquence définie par l'utilisateur de plus de 200 gigahertz.
"Nous avons démontré expérimentalement qu'une oscillation à 200 gigahertz est possible, " décrit Hofmann. "Mais nous ne savons pas à quel point cela peut devenir plus rapide, car nous n'avons pas encore trouvé de limite théorique."
L'oscillation seule ne transporte aucune information; dans ce but, la polarisation doit être modulée, par exemple en éliminant les pics individuels. Hofmann, Gerhardt et Lindemann ont vérifié expérimentalement que cela peut être fait en principe. En collaboration avec l'équipe du professeur Igor Žutić et Ph.D. l'étudiant Gaofeng Xu de l'Université de Buffalo, ils ont utilisé des simulations numériques pour démontrer qu'il est théoriquement possible de moduler la polarisation et, par conséquent, le transfert de données à une fréquence de plus de 200 gigahertz.
La génération d'une polarisation circulaire modulée
Deux facteurs sont déterminants pour générer un degré de polarisation circulaire modulé :le laser doit fonctionner de manière à émettre simultanément deux ondes lumineuses perpendiculaires polarisées linéairement, dont le chevauchement se traduit par une polarisation circulaire. De plus, les fréquences des deux ondes lumineuses émises doivent différer suffisamment pour faciliter l'oscillation à grande vitesse.
La lumière laser est générée dans un cristal semi-conducteur, qui est injecté d'électrons et de trous d'électrons. Quand ils se rencontrent, des particules légères sont libérées. Le spin – forme intrinsèque du moment cinétique – des électrons injectés est indispensable pour assurer la bonne polarisation de la lumière. Seulement si le spin électronique est aligné d'une certaine manière, la lumière émise a la polarisation requise – un défi pour les chercheurs, car l'alignement de la rotation change rapidement. C'est pourquoi les chercheurs doivent injecter les électrons au plus près du point du laser où la particule lumineuse doit être émise. L'équipe de Hofmann a déjà déposé une demande de brevet avec son idée de la façon dont cela peut être accompli à l'aide d'un matériau ferromagnétique.
Différence de fréquence par double réfraction
La différence de fréquence entre les deux ondes lumineuses émises, nécessaire à l'oscillation, est générée à l'aide d'une technologie fournie par l'équipe d'Ulm dirigée par le professeur Rainer Michalzik. Le cristal semi-conducteur utilisé à cet effet est biréfringent. Par conséquent, les indices de réfraction des deux ondes lumineuses polarisées perpendiculairement émises par le cristal diffèrent légèrement. Par conséquent, les ondes ont des fréquences différentes. En courbant le cristal semi-conducteur, les chercheurs sont capables d'ajuster la différence entre les indices de réfraction et, par conséquent, la différence de fréquence. Cette différence détermine la vitesse d'oscillation, qui peut éventuellement devenir le fondement d'un transfert de données accéléré.
"Le système n'est pas encore prêt pour l'application, " conclut Martin Hofmann. " La technologie doit encore être optimisée. En démontrant le potentiel des lasers à spin, nous souhaitons ouvrir un nouveau domaine de recherche.
