Os engenheiros da Ruhr-Universität Bochum desenvolveram um novo conceito para transferência rápida de dados por meio de cabos de fibra óptica. Nos sistemas atuais, um laser transmite sinais de luz através dos cabos e as informações são codificadas na modulação da intensidade da luz. O novo sistema, um laser de spin semicondutor, é baseado em uma modulação de polarização de luz em vez disso. Publicado em 3 de abril de 2019 no jornal Natureza , o estudo demonstra que os lasers de spin têm a capacidade de funcionar pelo menos cinco vezes mais rápido que os melhores sistemas tradicionais, enquanto consome apenas uma fração da energia. Ao contrário de outros sistemas de semicondutores baseados em spin, a tecnologia funciona potencialmente à temperatura ambiente e não requer nenhum campo magnético externo. A equipe de Bochum na Cátedra de Fotônica e Tecnologia Terahertz implementou o sistema em colaboração com colegas da Ulm University e da University at Buffalo.

A transferência rápida de dados é atualmente um grande consumidor de energia

Devido a limitações físicas, a transferência de dados baseada na modulação da intensidade da luz, sem a utilização de formatos de modulação complexos, só pode atingir frequências de cerca de 40 a 50 gigahertz. Para atingir essa velocidade, altas correntes elétricas são necessárias. "É um pouco como um Porsche, em que o consumo de combustível aumenta drasticamente se o carro for dirigido rápido, "compara o professor Martin Hofmann, um dos engenheiros de Bochum. "A menos que atualizemos a tecnologia em breve, a transferência de dados e a Internet vão consumir mais energia do que produzimos atualmente na Terra. "Juntamente com o Dr. Nils Gerhardt e o aluno de doutorado Markus Lindemann, Martin Hofmann está, portanto, pesquisando tecnologias alternativas.

Fornecido pela Ulm University, os lasers, que têm apenas alguns micrômetros de tamanho, foram usados ​​pelos pesquisadores para gerar uma onda de luz cuja direção de oscilação muda periodicamente de uma maneira específica. O resultado é uma luz circularmente polarizada que é formada quando duas ondas de luz lineares perpendicularmente polarizadas se sobrepõem.

Na polarização linear, o vetor que descreve o campo elétrico da onda de luz oscila em um plano fixo. Na polarização circular, o vetor gira em torno da direção de propagação. O truque:quando duas ondas de luz polarizadas linearmente têm frequências diferentes, o processo resulta em polarização circular oscilante, onde a direção da oscilação inverte periodicamente - em uma frequência definida pelo usuário de mais de 200 gigahertz.

Limite de velocidade ainda indeterminado

"Demonstramos experimentalmente que a oscilação a 200 gigahertz é possível, "descreve Hofmann." Mas não sabemos o quão mais rápido isso pode se tornar, pois ainda não encontramos um limite teórico. "

A oscilação por si só não transporta nenhuma informação; para este propósito, a polarização tem que ser modulada, por exemplo, eliminando picos individuais. Hofmann, Gerhardt e Lindemann verificaram em experimentos que isso pode ser feito em princípio. Em colaboração com a equipe do Professor Igor Žutić e Ph.D. estudante Gaofeng Xu da Universidade de Buffalo, eles usaram simulações numéricas para demonstrar que é teoricamente possível modular a polarização e, consequentemente, a transferência de dados com uma frequência de mais de 200 gigahertz.

A geração de uma polarização circular modulada

Dois fatores são decisivos para gerar um grau de polarização circular modulado:o laser deve ser operado de forma que emita simultaneamente duas ondas de luz perpendiculares polarizadas linearmente, cuja sobreposição resulta em polarização circular. Além disso, as frequências das duas ondas de luz emitidas devem diferir o suficiente para facilitar a oscilação de alta velocidade.

A luz do laser é gerada em um cristal semicondutor, que é injetado com elétrons e lacunas de elétrons. Quando eles se encontram, partículas de luz são liberadas. O spin - forma intrínseca de momento angular - dos elétrons injetados é indispensável para garantir a correta polarização da luz. Somente se o spin do elétron estiver alinhado de uma certa maneira, a luz emitida tem a polarização necessária - um desafio para os pesquisadores, à medida que o alinhamento do giro muda rapidamente. É por isso que os pesquisadores precisam injetar os elétrons o mais próximo possível do ponto dentro do laser onde a partícula de luz será emitida. A equipe de Hofmann já solicitou uma patente com a ideia de como isso pode ser feito usando um material ferromagnético.

Diferença de frequência por meio de refração dupla

A diferença de frequência nas duas ondas de luz emitidas que é necessária para a oscilação é gerada usando uma tecnologia fornecida pela equipe baseada em Ulm chefiada pelo Professor Rainer Michalzik. O cristal semicondutor usado para este propósito é birrefringente. De acordo, os índices de refração nas duas ondas de luz perpendicularmente polarizadas emitidas pelo cristal diferem ligeiramente. Como resultado, as ondas têm frequências diferentes. Dobrando o cristal semicondutor, os pesquisadores são capazes de ajustar a diferença entre os índices de refração e, consequentemente, a diferença de frequência. Essa diferença determina a velocidade de oscilação, que pode eventualmente se tornar a base da transferência acelerada de dados.

“O sistema ainda não está pronto para aplicação, "conclui Martin Hofmann." A tecnologia ainda precisa ser otimizada. Ao demonstrar o potencial dos lasers de spin, queremos abrir uma nova área de pesquisa. "

Os engenheiros da Ruhr-Universität Bochum desenvolveram um novo conceito para transferência rápida de dados por meio de cabos de fibra óptica. Nos sistemas atuais, um laser transmite sinais de luz através dos cabos e as informações são codificadas na modulação da intensidade da luz. O novo sistema, um laser de spin semicondutor, é baseado em uma modulação de polarização de luz em vez disso. Publicado em 3 de abril de 2019 no jornal Natureza , o estudo demonstra que os lasers de spin têm a capacidade de funcionar pelo menos cinco vezes mais rápido que os melhores sistemas tradicionais, enquanto consome apenas uma fração da energia. Ao contrário de outros sistemas de semicondutores baseados em spin, a tecnologia funciona potencialmente à temperatura ambiente e não requer nenhum campo magnético externo. A equipe de Bochum na Cátedra de Fotônica e Tecnologia Terahertz implementou o sistema em colaboração com colegas da Ulm University e da University at Buffalo.

A transferência rápida de dados é atualmente um grande consumidor de energia

Devido a limitações físicas, a transferência de dados baseada na modulação da intensidade da luz, sem a utilização de formatos de modulação complexos, só pode atingir frequências de cerca de 40 a 50 gigahertz. Para atingir essa velocidade, altas correntes elétricas são necessárias. "É um pouco como um Porsche, em que o consumo de combustível aumenta drasticamente se o carro for dirigido rápido, "compara o professor Martin Hofmann, um dos engenheiros de Bochum. "A menos que atualizemos a tecnologia em breve, a transferência de dados e a Internet vão consumir mais energia do que produzimos atualmente na Terra. "Juntamente com o Dr. Nils Gerhardt e o aluno de doutorado Markus Lindemann, Martin Hofmann está, portanto, pesquisando tecnologias alternativas.

Fornecido pela Ulm University, os lasers, que têm apenas alguns micrômetros de tamanho, foram usados ​​pelos pesquisadores para gerar uma onda de luz cuja direção de oscilação muda periodicamente de uma maneira específica. O resultado é uma luz circularmente polarizada que é formada quando duas ondas de luz lineares perpendicularmente polarizadas se sobrepõem.

Polarização circular oscilante

Na polarização linear, o vetor que descreve o campo elétrico da onda de luz oscila em um plano fixo. Na polarização circular, o vetor gira em torno da direção de propagação. O truque:quando duas ondas de luz polarizadas linearmente têm frequências diferentes, o processo resulta em polarização circular oscilante, onde a direção da oscilação inverte periodicamente - em uma frequência definida pelo usuário de mais de 200 gigahertz.

"Demonstramos experimentalmente que a oscilação a 200 gigahertz é possível, "descreve Hofmann." Mas não sabemos o quão mais rápido isso pode se tornar, pois ainda não encontramos um limite teórico. "

A oscilação por si só não transporta nenhuma informação; para este propósito, a polarização tem que ser modulada, por exemplo, eliminando picos individuais. Hofmann, Gerhardt e Lindemann verificaram em experimentos que isso pode ser feito em princípio. Em colaboração com a equipe do Professor Igor Žutić e Ph.D. estudante Gaofeng Xu da Universidade de Buffalo, eles usaram simulações numéricas para demonstrar que é teoricamente possível modular a polarização e, consequentemente, a transferência de dados com uma frequência de mais de 200 gigahertz.

A geração de uma polarização circular modulada

Dois fatores são decisivos para gerar um grau de polarização circular modulado:o laser deve ser operado de forma que emita simultaneamente duas ondas de luz perpendiculares polarizadas linearmente, cuja sobreposição resulta em polarização circular. Além disso, as frequências das duas ondas de luz emitidas devem diferir o suficiente para facilitar a oscilação de alta velocidade.

A luz do laser é gerada em um cristal semicondutor, que é injetado com elétrons e lacunas de elétrons. Quando eles se encontram, partículas de luz são liberadas. O spin - forma intrínseca de momento angular - dos elétrons injetados é indispensável para garantir a correta polarização da luz. Somente se o spin do elétron estiver alinhado de uma certa maneira, a luz emitida tem a polarização necessária - um desafio para os pesquisadores, à medida que o alinhamento do giro muda rapidamente. É por isso que os pesquisadores precisam injetar os elétrons o mais próximo possível do ponto dentro do laser onde a partícula de luz será emitida. A equipe de Hofmann já solicitou uma patente com a ideia de como isso pode ser feito usando um material ferromagnético.

Diferença de frequência por meio de refração dupla

A diferença de frequência nas duas ondas de luz emitidas que é necessária para a oscilação é gerada usando uma tecnologia fornecida pela equipe baseada em Ulm chefiada pelo Professor Rainer Michalzik. O cristal semicondutor usado para este propósito é birrefringente. De acordo, os índices de refração nas duas ondas de luz perpendicularmente polarizadas emitidas pelo cristal diferem ligeiramente. Como resultado, as ondas têm frequências diferentes. Dobrando o cristal semicondutor, os pesquisadores são capazes de ajustar a diferença entre os índices de refração e, consequentemente, a diferença de frequência. Essa diferença determina a velocidade de oscilação, que pode eventualmente se tornar a base da transferência acelerada de dados.

“O sistema ainda não está pronto para aplicação, "conclui Martin Hofmann." A tecnologia ainda precisa ser otimizada. Ao demonstrar o potencial dos lasers de spin, queremos abrir uma nova área de pesquisa. "