Los ingenieros de Ruhr-Universität Bochum han desarrollado un concepto novedoso para la transferencia rápida de datos a través de cables de fibra óptica. En los sistemas actuales, un láser transmite señales de luz a través de los cables y la información se codifica en la modulación de la intensidad de la luz. El nuevo sistema, un láser de giro semiconductor, se basa en cambio en una modulación de la polarización de la luz. Publicado el 3 de abril de 2019 en la revista Naturaleza , el estudio demuestra que los láseres giratorios tienen la capacidad de funcionar al menos cinco veces más rápido que los mejores sistemas tradicionales, mientras consume solo una fracción de energía. A diferencia de otros sistemas semiconductores basados ​​en espines, la tecnología funciona potencialmente a temperatura ambiente y no requiere ningún campo magnético externo. El equipo de Bochum de la Cátedra de Fotónica y Tecnología Terahercios implementó el sistema en colaboración con colegas de la Universidad de Ulm y la Universidad de Buffalo.

La transferencia rápida de datos actualmente consume mucha energía

Debido a limitaciones físicas, La transferencia de datos que se basa en una modulación de la intensidad de la luz sin utilizar formatos de modulación complejos solo puede alcanzar frecuencias de alrededor de 40 a 50 gigahercios. Para lograr esta velocidad, son necesarias corrientes eléctricas elevadas. "Es un poco como un Porsche en el que el consumo de combustible aumenta drásticamente si se conduce rápido, "compara el profesor Martin Hofmann, uno de los ingenieros de Bochum. "A menos que actualicemos la tecnología pronto, la transferencia de datos e Internet consumirán más energía de la que producimos actualmente en la Tierra ". Junto con el Dr. Nils Gerhardt y el estudiante de doctorado Markus Lindemann, Por tanto, Martin Hofmann está investigando tecnologías alternativas.

Proporcionado por la Universidad de Ulm, los láseres, que tienen un tamaño de unos pocos micrómetros, fueron utilizados por los investigadores para generar una onda de luz cuya dirección de oscilación cambia periódicamente de una manera específica. El resultado es una luz polarizada circularmente que se forma cuando dos ondas de luz lineales polarizadas perpendicularmente se superponen.

En polarización lineal, el vector que describe el campo eléctrico de la onda de luz oscila en un plano fijo. En polarización circular, el vector gira alrededor de la dirección de propagación. El truco:cuando dos ondas de luz polarizadas linealmente tienen frecuencias diferentes, el proceso da como resultado una polarización circular oscilante donde la dirección de oscilación se invierte periódicamente, a una frecuencia definida por el usuario de más de 200 gigahercios.

Límite de velocidad aún indeterminado

"Hemos demostrado experimentalmente que la oscilación a 200 gigahercios es posible, "describe Hofmann." Pero no sabemos cuánto más rápido puede llegar a ser, ya que aún no hemos encontrado un límite teórico ".

La oscilación por sí sola no transporta ninguna información; para este propósito, la polarización tiene que ser modulada, por ejemplo, eliminando picos individuales. Hofmann, Gerhardt y Lindemann han verificado en experimentos que esto se puede hacer en principio. En colaboración con el equipo del profesor Igor Žutić y Ph.D. estudiante Gaofeng Xu de la Universidad de Buffalo, utilizaron simulaciones numéricas para demostrar que teóricamente es posible modular la polarización y, como consecuencia, la transferencia de datos a una frecuencia de más de 200 gigahercios.

La generación de una polarización circular modulada.

Dos factores son decisivos para generar un grado de polarización circular modulado:el láser debe operarse de manera que emita dos ondas de luz polarizadas linealmente perpendiculares simultáneamente, cuya superposición da como resultado una polarización circular. Es más, las frecuencias de las dos ondas de luz emitidas deben diferir lo suficiente para facilitar la oscilación de alta velocidad.

La luz láser se genera en un cristal semiconductor, que se inyecta con electrones y huecos de electrones. Cuando se encuentran se liberan partículas de luz. El espín - una forma intrínseca del momento angular - de los electrones inyectados es indispensable para asegurar la correcta polarización de la luz. Solo si el espín del electrón está alineado de cierta manera, la luz emitida tiene la polarización requerida, un desafío para los investigadores, ya que la alineación de giro cambia rápidamente. Esta es la razón por la que los investigadores tienen que inyectar los electrones lo más cerca posible del punto dentro del láser donde se emitirá la partícula de luz. El equipo de Hofmann ya ha solicitado una patente con su idea de cómo se puede lograr esto utilizando un material ferromagnético.

Diferencia de frecuencia por doble refracción

La diferencia de frecuencia en las dos ondas de luz emitidas que se requiere para la oscilación se genera utilizando una tecnología proporcionada por el equipo con sede en Ulm encabezado por el profesor Rainer Michalzik. El cristal semiconductor utilizado para este propósito es birrefringente. Respectivamente, los índices de refracción en las dos ondas de luz polarizadas perpendicularmente emitidas por el cristal difieren ligeramente. Como resultado, las ondas tienen diferentes frecuencias. Doblando el cristal semiconductor, los investigadores pueden ajustar la diferencia entre los índices de refracción y, como consecuencia, la diferencia de frecuencia. Esa diferencia determina la velocidad de oscilación, que eventualmente puede convertirse en la base de la transferencia de datos acelerada.

"El sistema aún no está listo para su aplicación, ", concluye Martin Hofmann." La tecnología aún debe optimizarse. Al demostrar el potencial de los láseres de giro, deseamos abrir una nueva área de investigación ".

Los ingenieros de Ruhr-Universität Bochum han desarrollado un concepto novedoso para la transferencia rápida de datos a través de cables de fibra óptica. En los sistemas actuales, un láser transmite señales de luz a través de los cables y la información se codifica en la modulación de la intensidad de la luz. El nuevo sistema, un láser de giro semiconductor, se basa en cambio en una modulación de la polarización de la luz. Publicado el 3 de abril de 2019 en la revista Naturaleza , el estudio demuestra que los láseres giratorios tienen la capacidad de funcionar al menos cinco veces más rápido que los mejores sistemas tradicionales, mientras consume solo una fracción de energía. A diferencia de otros sistemas semiconductores basados ​​en espines, la tecnología funciona potencialmente a temperatura ambiente y no requiere ningún campo magnético externo. El equipo de Bochum de la Cátedra de Fotónica y Tecnología Terahercios implementó el sistema en colaboración con colegas de la Universidad de Ulm y la Universidad de Buffalo.

La transferencia rápida de datos actualmente consume mucha energía

Debido a limitaciones físicas, La transferencia de datos que se basa en una modulación de la intensidad de la luz sin utilizar formatos de modulación complejos solo puede alcanzar frecuencias de alrededor de 40 a 50 gigahercios. Para lograr esta velocidad, son necesarias corrientes eléctricas elevadas. "Es un poco como un Porsche en el que el consumo de combustible aumenta drásticamente si se conduce rápido, "compara el profesor Martin Hofmann, uno de los ingenieros de Bochum. "A menos que actualicemos la tecnología pronto, la transferencia de datos e Internet consumirán más energía de la que producimos actualmente en la Tierra ". Junto con el Dr. Nils Gerhardt y el estudiante de doctorado Markus Lindemann, Por tanto, Martin Hofmann está investigando tecnologías alternativas.

Proporcionado por la Universidad de Ulm, los láseres, que tienen un tamaño de unos pocos micrómetros, fueron utilizados por los investigadores para generar una onda de luz cuya dirección de oscilación cambia periódicamente de una manera específica. El resultado es una luz polarizada circularmente que se forma cuando dos ondas de luz lineales polarizadas perpendicularmente se superponen.

Polarización circular oscilante

En polarización lineal, el vector que describe el campo eléctrico de la onda de luz oscila en un plano fijo. En polarización circular, el vector gira alrededor de la dirección de propagación. El truco:cuando dos ondas de luz polarizadas linealmente tienen frecuencias diferentes, el proceso da como resultado una polarización circular oscilante donde la dirección de oscilación se invierte periódicamente, a una frecuencia definida por el usuario de más de 200 gigahercios.

"Hemos demostrado experimentalmente que la oscilación a 200 gigahercios es posible, "describe Hofmann." Pero no sabemos cuánto más rápido puede llegar a ser, ya que aún no hemos encontrado un límite teórico ".

La oscilación por sí sola no transporta ninguna información; para este propósito, la polarización tiene que ser modulada, por ejemplo, eliminando picos individuales. Hofmann, Gerhardt y Lindemann han verificado en experimentos que esto se puede hacer en principio. En colaboración con el equipo del profesor Igor Žutić y Ph.D. estudiante Gaofeng Xu de la Universidad de Buffalo, utilizaron simulaciones numéricas para demostrar que teóricamente es posible modular la polarización y, como consecuencia, la transferencia de datos a una frecuencia de más de 200 gigahercios.

La generación de una polarización circular modulada.

Dos factores son decisivos para generar un grado de polarización circular modulado:el láser debe operarse de manera que emita dos ondas de luz polarizadas linealmente perpendiculares simultáneamente, cuya superposición da como resultado una polarización circular. Es más, las frecuencias de las dos ondas de luz emitidas deben diferir lo suficiente para facilitar la oscilación de alta velocidad.

La luz láser se genera en un cristal semiconductor, que se inyecta con electrones y huecos de electrones. Cuando se encuentran se liberan partículas de luz. El espín - una forma intrínseca del momento angular - de los electrones inyectados es indispensable para asegurar la correcta polarización de la luz. Solo si el espín del electrón está alineado de cierta manera, la luz emitida tiene la polarización requerida, un desafío para los investigadores, ya que la alineación de giro cambia rápidamente. Esta es la razón por la que los investigadores tienen que inyectar los electrones lo más cerca posible del punto dentro del láser donde se emitirá la partícula de luz. El equipo de Hofmann ya ha solicitado una patente con su idea de cómo se puede lograr esto utilizando un material ferromagnético.

Diferencia de frecuencia por doble refracción

La diferencia de frecuencia en las dos ondas de luz emitidas que se requiere para la oscilación se genera utilizando una tecnología proporcionada por el equipo con sede en Ulm encabezado por el profesor Rainer Michalzik. El cristal semiconductor utilizado para este propósito es birrefringente. Respectivamente, los índices de refracción en las dos ondas de luz polarizadas perpendicularmente emitidas por el cristal difieren ligeramente. Como resultado, las ondas tienen diferentes frecuencias. Doblando el cristal semiconductor, los investigadores pueden ajustar la diferencia entre los índices de refracción y, como consecuencia, la diferencia de frecuencia. Esa diferencia determina la velocidad de oscilación, que eventualmente puede convertirse en la base de la transferencia de datos acelerada.

"El sistema aún no está listo para su aplicación, ", concluye Martin Hofmann." La tecnología aún debe optimizarse. Al demostrar el potencial de los láseres de giro, deseamos abrir una nueva área de investigación ".