Ultraschnelle Spin-Laser für Modulationsfrequenzen im Bereich von 100 GHz
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In Zeiten von „High Definition Streaming“ und „Cloud Computing“ ist die Lösung der Bandbreitenproblematik von großer Bedeutung. Da sich Internetverkehr und Rechenkapazitäten immer mehr in Hyperscale-Rechenzentren konzentrieren, werden neue Konzepte für ultraschnelle optische Datenübertragungssysteme für die Kurzstrecke zunehmend wichtiger. Strommodulierte Halbleiterlaser, wie z.B. oberflächenemittierende Laser (vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL), sind Schlüsselkomponenten. Ihre Modulationsbandbreite ist bisher unter anderem durch fundamentale Grenzen der Ladungsträger-Photonen-Dynamik des Lasers auf Werte unterhalb von 50 GHz begrenzt. Das primäre Ziel des Projektes war die Entwicklung eines Konzeptes für VCSEL mit Modulationsbandbreiten über 100 GHz auf Basis von Spin- und Polarisationsmodulation in sogenannten Spin-polarisierten VCSELn (Spin-VCSELn). Mittels Drehimpulsaustausch zwischen dem Spinzustand der Ladungsträger und dem der Photonen kann die Polarisation der Laseremission in Spin-VCSELn kontrolliert werden. Die Dynamik der Polarisation ist nahezu vollständig von der Intensitätsdynamik entkoppelt, und die Polarisation kann potentiell um ein Vielfaches schneller moduliert werden. Dabei hängen Resonanzfrequenz und Bandbreite des Lasers von der Doppelbrechung im Resonator ab. Um Spin-VCSEL mit 100 GHz Polarisationsdynamik zu realisieren, wurden im Projekt verschiedene Konzepte entwickelt, um mittels des elasto-optischen Effekts die Doppelbrechung im Resonator von 850 nm AlGaAs-VCSELn zu manipulieren. Durch mechanisches Verbiegen von VCSEL-Arrays in speziell entwickelten Biegehaltern konnten erstmals Rekordwerte für die Doppelbrechungsaufspaltung von bis zu 259 GHz erreicht werden. Darüber hinaus wurden neue Konzepte zur elektrischen Kontrolle der Doppelbrechung mittels piezoelektrischer Substrate oder asymmetrischen Heizstrukturen entwickelt und realisiert. Um den Sprung zu integrierten VCSELn mit hoher Doppelbrechung ohne mechanische oder thermische Lasten zu schaffen, wurden in Zusammenarbeit mit Kooperationspartnern Strukturen mit integrierten Oberflächengittern entwickelt, die für hohe Doppelbrechung und niedrigen Dichroismus optimiert wurden. Hiermit konnten Doppelbrechungsaufspaltungen von 98 GHz demonstriert werden. Simulationen zeigten, dass auch Aufspaltungen > 200 GHz im Rahmen der Möglichkeiten liegen. Die Polarisations- und Spindynamiken der im Projekt hergestellten Spin-VCSEL wurden systematisch experimentell und theoretisch untersucht. Für die Experimente wurde eine hybride Pumptechnik mit optischer Spin-Injektion eingesetzt. In VCSELn hoher Doppelbrechung konnten erstmals Polarisationsdynamiken mit einer Resonanzfrequenz von bis zu 212 GHz experimentell demonstriert werden. Darüber hinaus wurde experimentell und theoretisch nachgewiesen, dass Resonanzfrequenz und Modulationsbandbreite direkt durch die Doppelbrechung bis zu Werten > 200 GHz kontrolliert werden können. Messungen an Strukturen mit durchstimmbarer Doppelbrechung ergaben, dass die Polarisationsdynamik in Spin-VCSELn unabhängig von Arbeitspunkt bzw. Pumpstrom ist und durch Temperaturerhöhungen selbst bis 70°C nicht signifikant beeinflusst wird. In Simulationen für die digitale Datenübertragung wurden NRZ-Datenraten bis 240 Gbit/s gezeigt. In Kombination mit der Unabhängigkeit vom Arbeitspunkt lassen sich mit dem neuen Konzept potentiell ultraschnelle Spin-Laser mit extrem niedrigen Heat-to-Data-Ratios von unter 4 fJ/Bit bei der Datenrate von 240 Gbit/s realisieren. Die Ergebnisse demonstrieren das Potential des neuen Laserkonzepts für ultraschnelle direkt modulierbare Laser mit sehr niedrigem Energieverbrauch. Voraussetzung für den Einsatz in optischen Kommunikationsnetzen ist die Entwicklung von Bauelementen mit integrierter hoher Doppelbrechung und direkter elektrischer Spin-Injektion. Dazu wurde im Rahmen des Projektes ein neues Spin-Injektionskonzept auf der Basis von Subwellenlängen-Halbleiter-Metall-Gittern entwickelt und international zum Patent angemeldet. Zusammenfassend haben wir in dem Projekt erstmals ein neues Konzept für ultraschnelle doppelbrechende Spin-VCSEL mit Modulationsbandbreiten für die Polarisationsmodulation von mehr als 200 GHz entwickelt. Damit wurde das ursprüngliche Projektziel von 100 GHz deutlich übertroffen. Die Dynamik der ultraschnellen Spin-VCSEL ist unabhängig vom Arbeitspunkt der Laser und unempfindlich gegenüber Temperaturerhöhungen. Die neu entwickelten Spin-Laser eigenen sich damit ideal als Kernbaustein einer neuen Generation an ultraschnellen optischen Transmittern mit niedrigem Energieverbrauch für optische Kommunikationssysteme. Darüber hinaus sind ultraschnelle Spin-VCSEL z.B. interessant für Anwendungen in der verschlüsselten Kommunikation und zur Erzeugung von Zufallsfolgen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Towards highfrequency operation of spin-lasers“, Phys. Rev. B 92, 075311 (2015)
P.E. Faria Junior, G. Xu, J. Lee, N.C. Gerhardt, G.M. Sipahi, and I. Zutic
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.075311) - „Vertical-cavity surface-emitting lasers with birefringence splitting above 250 GHz“, Electron. Lett. 51, 1600 (2015)
T. Pusch, M. Lindemann, N.C. Gerhardt, M.R. Hofmann, and R. Michalzik
(Siehe online unter https://doi.org/10.1049/el.2015.2149) - „Frequency tuning of polarization oscillations: Toward high-speed spin-lasers“, Appl. Phys. Lett. 108, 042404 (2016)
M. Lindemann, T. Pusch, R. Michalzik, N.C. Gerhardt, and M.R. Hofmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4940713) - „Monolithic vertical-cavity surface-emitting laser with thermally tunable birefringence“, Appl. Phys. Lett. 110, 151106 (2017)
T. Pusch, E. La Tona, M. Lindemann, N.C. Gerhardt, M.R. Hofmann, and R. Michalzik
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4980025) - „Ultrafast polarization dynamics with resonance frequencies beyond 100 GHz in birefringent spin-lasers“, Gordon Research Conference – Spin Dynamics in Nanostructures, Les Diablerets, Switzerland (2017)
N.C. Gerhardt, M. Lindemann, T. Pusch, R. Michalzik, and M.R. Hofmann
- „Ultrafast spin- VCSELs“, European Semiconductor Laser Workshop, Lyngby, Denmark (2017)
N.C. Gerhardt, M. Lindemann, T. Pusch, R. Michalzik, and M.R. Hofmann
- „Thermally-induced birefringence in VCSELs: approaching the limits“, Proc. SPIE, 10682- 19, SPIE Photonics Europe, Strasbourg, France (2018)
T. Pusch, S. Scherübl, M. Lindemann, N.C. Gerhardt, M.R. Hofmann, and R. Michalzik
(Siehe online unter https://doi.org/10.1117/12.2306215) - „Ultrafast spin-VCSELs“, Workshop on Innovative Nanoscale Devices and Systems (WINDS), Kohala, Hawaii (2018)
M. Lindemann, T. Pusch, G. Xu, I. Zutic, R. Michalzik, M.R. Hofmann, and N.C. Gerhardt
- „Chapter 16 – Semiconductor Spin-Lasers“, Spintronic Handbook: Spin Transport and Magnetism, Volume 3: Nanoscale Spintronics and Applications, 2nd Ed., edited by E.Y. Tsymbal and I. Zutic, CRC Press (2019)
I. Zutic, J. Lee, C. Gothgen, P.E. Faria Junior, G. Xu, G.M. Sipahi, and N.C. Gerhardt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1201/9780429441189) - „Ultrafast spin-lasers for high-speed optical communication“, SPIE Photonics West Conference, San Francisco (2019)
N.C. Gerhardt, M. Lindemann, T. Pusch, G. Xu, I. Zutic, R. Michalzik, and M.R. Hofmann
- „Ultrafast spin-lasers“, Nature 568, 212 (2019)
M. Lindemann, G. Xu, T. Pusch, R. Michalzik, M.R. Hofmann, I. Zutic, and N.C. Gerhardt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41586-019-1073-y) - „Vertical-cavity surface-emitting laser with integrated surface grating for high birefringence splitting“, Electron. Lett. 55, 1055 (2019)
T. Pusch, P. Debernardi, M. Lindemann, F. Erb, N.C. Gerhardt, M.R. Hofmann, and R. Michalzik
(Siehe online unter https://doi.org/10.1049/el.2019.1441) - „Bias current and temperature dependence of polarization dynamics in spinlasers with electrically tunable birefringence“, AIP Advances 10, 035211 (2020)
M. Lindemann, N. Jung, P. Stadler, T. Pusch, R. Michalzik, M.R. Hofmann, and N.C. Gerhardt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5139199) - „Manipulation of birefringence in spin-VCSELs“, Proc. SPIE, 11470-89, SPIE Optics + Photonics, San Diego, California, USA (2020)
T. Pusch, M. Lindemann, N. Jung, N.C. Gerhardt, M.R. Hofmann, and R. Michalzik
(Siehe online unter https://doi.org/10.1117/12.2567336) - „Spin-Lasers: Spintronics Beyond Magnetoresistance“, Solid State Commun. 316-317, 113949 (2020)
I. Zutic, G. Xu, M. Lindemann, P.E. Faria Junior, J. Lee, V. Labinac, K. Stojsik, G.M. Sipahi, M.R. Hofmann, and N.C. Gerhardt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ssc.2020.113949)
