Gli ingegneri della Ruhr-Universität Bochum hanno sviluppato un nuovo concetto per il trasferimento rapido dei dati tramite cavi in ​​fibra ottica. Nei sistemi attuali, un laser trasmette segnali luminosi attraverso i cavi e le informazioni vengono codificate nella modulazione dell'intensità luminosa. Il nuovo sistema, un laser a spin a semiconduttore, si basa invece su una modulazione della polarizzazione della luce. Pubblicato il 3 aprile 2019 sulla rivista Natura , lo studio dimostra che i laser spin hanno la capacità di lavorare almeno cinque volte più velocemente dei migliori sistemi tradizionali, consumando solo una frazione di energia. A differenza di altri sistemi di semiconduttori basati su spin, la tecnologia funziona potenzialmente a temperatura ambiente e non richiede alcun campo magnetico esterno. Il team di Bochum presso la Cattedra di Fotonica e Tecnologia Terahertz ha implementato il sistema in collaborazione con i colleghi dell'Università di Ulm e dell'Università di Buffalo.

Il trasferimento rapido dei dati è attualmente un divoratore di energia

A causa di limitazioni fisiche, il trasferimento di dati basato su una modulazione dell'intensità luminosa senza l'utilizzo di formati di modulazione complessi può raggiungere solo frequenze di circa 40-50 gigahertz. Per raggiungere questa velocità, sono necessarie correnti elettriche elevate. "È un po' come una Porsche dove il consumo di carburante aumenta notevolmente se l'auto viene guidata velocemente, " confronta il professor Martin Hofmann, uno degli ingegneri di Bochum. "A meno che non aggiorniamo presto la tecnologia, il trasferimento dei dati e Internet consumeranno più energia di quella che stiamo attualmente producendo sulla Terra." Insieme al Dr. Nils Gerhardt e al dottorando Markus Lindemann, Martin Hofmann sta quindi ricercando tecnologie alternative.

Fornito dall'Università di Ulm, i laser, che misurano solo pochi micrometri, sono stati utilizzati dai ricercatori per generare un'onda luminosa la cui direzione di oscillazione cambia periodicamente in un modo specifico. Il risultato è una luce polarizzata circolarmente che si forma quando due onde luminose polarizzate perpendicolarmente si sovrappongono.

Nella polarizzazione lineare, il vettore che descrive il campo elettrico dell'onda luminosa oscilla su un piano fisso. Nella polarizzazione circolare, il vettore ruota attorno alla direzione di propagazione. Il trucco:quando due onde luminose polarizzate linearmente hanno frequenze diverse, il processo si traduce in una polarizzazione circolare oscillante in cui la direzione dell'oscillazione si inverte periodicamente, a una frequenza definita dall'utente di oltre 200 gigahertz.

Limite di velocità non ancora determinato

"Abbiamo dimostrato sperimentalmente che è possibile oscillare a 200 gigahertz, " descrive Hofmann. "Ma non sappiamo quanto possa diventare più veloce, perché non abbiamo ancora trovato un limite teorico."

L'oscillazione da sola non trasporta alcuna informazione; per questo scopo, la polarizzazione deve essere modulata, ad esempio eliminando i singoli picchi. Hofmann, Gerhardt e Lindemann hanno verificato in esperimenti che ciò può essere fatto in linea di principio. In collaborazione con il team del Professor Igor Žutić e del Ph.D. studente Gaofeng Xu dell'Università di Buffalo, hanno usato simulazioni numeriche per dimostrare che è teoricamente possibile modulare la polarizzazione e, di conseguenza, il trasferimento dei dati con una frequenza superiore a 200 gigahertz.

La generazione di una polarizzazione circolare modulata

Due fattori sono determinanti per generare un grado di polarizzazione circolare modulato:il laser deve essere azionato in modo da emettere contemporaneamente due onde luminose perpendicolari polarizzate linearmente, la cui sovrapposizione determina una polarizzazione circolare. Inoltre, le frequenze delle due onde luminose emesse devono differire abbastanza da facilitare l'oscillazione ad alta velocità.

La luce laser è generata in un cristallo semiconduttore, che viene iniettato con elettroni e lacune di elettroni. Quando si incontrano, vengono rilasciate particelle di luce. Lo spin – forma intrinseca del momento angolare – degli elettroni iniettati è indispensabile per garantire la corretta polarizzazione della luce. Solo se lo spin dell'elettrone è allineato in un certo modo, la luce emessa ha la polarizzazione richiesta:una sfida per i ricercatori, poiché l'allineamento dello spin cambia rapidamente. Questo è il motivo per cui i ricercatori devono iniettare gli elettroni il più vicino possibile al punto all'interno del laser in cui deve essere emessa la particella di luce. Il team di Hofmann ha già richiesto un brevetto con la loro idea di come ciò possa essere realizzato utilizzando un materiale ferromagnetico.

Differenza di frequenza per doppia rifrazione

La differenza di frequenza nelle due onde luminose emesse necessaria per l'oscillazione viene generata utilizzando una tecnologia fornita dal team di Ulm guidato dal professor Rainer Michalzik. Il cristallo semiconduttore utilizzato per questo scopo è birifrangente. Di conseguenza, gli indici di rifrazione nelle due onde luminose polarizzate perpendicolarmente emesse dal cristallo differiscono leggermente. Di conseguenza, le onde hanno frequenze diverse. Piegando il cristallo semiconduttore, i ricercatori sono in grado di regolare la differenza tra gli indici di rifrazione e, di conseguenza, la differenza di frequenza. Tale differenza determina la velocità di oscillazione, che alla fine potrebbe diventare la base del trasferimento accelerato dei dati.

"Il sistema non è ancora pronto per l'applicazione, " conclude Martin Hofmann. "La tecnologia deve ancora essere ottimizzata. Dimostrando il potenziale dei laser a spin, vogliamo aprire una nuova area di ricerca."

Gli ingegneri della Ruhr-Universität Bochum hanno sviluppato un nuovo concetto per il trasferimento rapido dei dati tramite cavi in ​​fibra ottica. Nei sistemi attuali, un laser trasmette segnali luminosi attraverso i cavi e le informazioni vengono codificate nella modulazione dell'intensità luminosa. Il nuovo sistema, un laser a spin a semiconduttore, si basa invece su una modulazione della polarizzazione della luce. Pubblicato il 3 aprile 2019 sulla rivista Natura , lo studio dimostra che i laser spin hanno la capacità di lavorare almeno cinque volte più velocemente dei migliori sistemi tradizionali, consumando solo una frazione di energia. A differenza di altri sistemi di semiconduttori basati su spin, la tecnologia funziona potenzialmente a temperatura ambiente e non richiede alcun campo magnetico esterno. Il team di Bochum presso la Cattedra di Fotonica e Tecnologia Terahertz ha implementato il sistema in collaborazione con i colleghi dell'Università di Ulm e dell'Università di Buffalo.

Il trasferimento rapido dei dati è attualmente un divoratore di energia

A causa di limitazioni fisiche, il trasferimento di dati basato su una modulazione dell'intensità luminosa senza l'utilizzo di formati di modulazione complessi può raggiungere solo frequenze di circa 40-50 gigahertz. Per raggiungere questa velocità, sono necessarie correnti elettriche elevate. "È un po' come una Porsche dove il consumo di carburante aumenta notevolmente se l'auto viene guidata velocemente, " confronta il professor Martin Hofmann, uno degli ingegneri di Bochum. "A meno che non aggiorniamo presto la tecnologia, il trasferimento dei dati e Internet consumeranno più energia di quella che stiamo attualmente producendo sulla Terra." Insieme al Dr. Nils Gerhardt e al dottorando Markus Lindemann, Martin Hofmann sta quindi ricercando tecnologie alternative.

Fornito dall'Università di Ulm, i laser, che misurano solo pochi micrometri, sono stati utilizzati dai ricercatori per generare un'onda luminosa la cui direzione di oscillazione cambia periodicamente in un modo specifico. Il risultato è una luce polarizzata circolarmente che si forma quando due onde luminose polarizzate perpendicolarmente si sovrappongono.

Polarizzazione circolare oscillante

Nella polarizzazione lineare, il vettore che descrive il campo elettrico dell'onda luminosa oscilla su un piano fisso. Nella polarizzazione circolare, il vettore ruota attorno alla direzione di propagazione. Il trucco:quando due onde luminose polarizzate linearmente hanno frequenze diverse, il processo si traduce in una polarizzazione circolare oscillante in cui la direzione dell'oscillazione si inverte periodicamente, a una frequenza definita dall'utente di oltre 200 gigahertz.

"Abbiamo dimostrato sperimentalmente che è possibile oscillare a 200 gigahertz, " descrive Hofmann. "Ma non sappiamo quanto possa diventare più veloce, perché non abbiamo ancora trovato un limite teorico."

L'oscillazione da sola non trasporta alcuna informazione; per questo scopo, la polarizzazione deve essere modulata, ad esempio eliminando i singoli picchi. Hofmann, Gerhardt e Lindemann hanno verificato in esperimenti che ciò può essere fatto in linea di principio. In collaborazione con il team del Professor Igor Žutić e del Ph.D. studente Gaofeng Xu dell'Università di Buffalo, hanno usato simulazioni numeriche per dimostrare che è teoricamente possibile modulare la polarizzazione e, di conseguenza, il trasferimento dei dati con una frequenza superiore a 200 gigahertz.

La generazione di una polarizzazione circolare modulata

Due fattori sono determinanti per generare un grado di polarizzazione circolare modulato:il laser deve essere azionato in modo da emettere contemporaneamente due onde luminose perpendicolari polarizzate linearmente, la cui sovrapposizione determina una polarizzazione circolare. Inoltre, le frequenze delle due onde luminose emesse devono differire abbastanza da facilitare l'oscillazione ad alta velocità.

La luce laser è generata in un cristallo semiconduttore, che viene iniettato con elettroni e lacune di elettroni. Quando si incontrano, vengono rilasciate particelle di luce. Lo spin – forma intrinseca del momento angolare – degli elettroni iniettati è indispensabile per garantire la corretta polarizzazione della luce. Solo se lo spin dell'elettrone è allineato in un certo modo, la luce emessa ha la polarizzazione richiesta:una sfida per i ricercatori, poiché l'allineamento dello spin cambia rapidamente. Questo è il motivo per cui i ricercatori devono iniettare gli elettroni il più vicino possibile al punto all'interno del laser in cui deve essere emessa la particella di luce. Il team di Hofmann ha già richiesto un brevetto con la loro idea di come ciò possa essere realizzato utilizzando un materiale ferromagnetico.

Differenza di frequenza per doppia rifrazione

La differenza di frequenza nelle due onde luminose emesse necessaria per l'oscillazione viene generata utilizzando una tecnologia fornita dal team di Ulm guidato dal professor Rainer Michalzik. Il cristallo semiconduttore utilizzato per questo scopo è birifrangente. Di conseguenza, gli indici di rifrazione nelle due onde luminose polarizzate perpendicolarmente emesse dal cristallo differiscono leggermente. Di conseguenza, le onde hanno frequenze diverse. Piegando il cristallo semiconduttore, i ricercatori sono in grado di regolare la differenza tra gli indici di rifrazione e, di conseguenza, la differenza di frequenza. Tale differenza determina la velocità di oscillazione, che alla fine potrebbe diventare la base del trasferimento accelerato dei dati.

"Il sistema non è ancora pronto per l'applicazione, " conclude Martin Hofmann. "La tecnologia deve ancora essere ottimizzata. Dimostrando il potenziale dei laser a spin, vogliamo aprire una nuova area di ricerca."