Ultraschnelle Spin-Laser für Modulationsfrequenzen im Bereich von 100 GHz

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Nils Christopher Gerhardt; Professor Dr.-Ing. Rainer Michalzik
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 250699912

In Zeiten von „High Definition Streaming“, und „Cloud Computing“ ist die gesellschaftliche und wirtschaftliche Weiterentwicklung eng mit der Lösung der Bandbreitenproblematik verbunden. Optische Datenübertragungssysteme für die Kurzstrecke, z.B. Verbindungen innerhalb von Server-Clustern und Datenzentren, werden hierbei immer wichtiger. Strommodulierte Halbleiterlaser wie z.B. oberflächenemittierende Laser (vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL), sind Schlüsselkomponenten für solche Netze. Ihre Modulationsbandbreite ist allerdings unter anderem durch die Ladungsträger-Photonen-Dynamik des Lasers selbst auf Werte unterhalb von 50 GHz begrenzt. Um den Bedarf an immer leistungsfähigeren Systemen decken zu können, sind neue, unkonventionelle Konzepte zur Steigerung der Modulationsgeschwindigkeit dringend erforderlich. Ein neuer, sehr vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von Spin- und Polarisationsmodulation in spin-polarisierten VCSELn anstelle der herkömmlichen Strom- bzw. Intensitätsmodulation. Die direkte Kopplung zwischen dem Spinzustand der Ladungsträger und dem Spinzustand der Photonen, also der Polarisation des emittierten Lichtes, spielt hierbei die entscheidende Rolle. Die Dynamik des gekoppelten Spinsystems ist von der Intensitätsdynamik des Lasers entkoppelt und ihr Polarisationszustand kann um ein Vielfaches schneller moduliert werden. In der letzten Förderperiode konnten wir nachweisen, dass sich die Resonanzfrequenz des Systems durch gezielte Einbringung von Doppelbrechung auf über 200 GHz erhöhen lässt, was theoretisch eine einkanalige Datenübertragungsrate von mehr als 240 Gbit/s ermöglicht. Darüber hinaus ist die Modulationsbandbreite in Spin-Lasern, im Gegensatz zu konventionellen Systemen, nahezu unabhängig vom elektrischen Arbeitspunkt, so dass sich besonders energieeffiziente Übertragungssysteme realisieren lassen. Diese Ergebnisse zeigen eindrucksvoll das Potential des Konzeptes, ohne bisher die fundamentale Grenze auszuschöpfen.Im Rahmen des Fortsetzungsantrags soll das erfolgreiche Bauelementkonzept in enger Kooperation der Gruppen in Ulm und Bochum weiterentwickelt werden. Ziel ist die erstmalige, grundlegende Demonstration einer einkanaligen Datenübertragung mittels Spin-Laser, wobei Datenraten von mehr als 100 Gbit/s angestrebt werden. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf der Entwicklung von Datenübertragungskonzepten mit besonders niedrigem Energieverbrauch. Weiterhin werden integrierte und praktikable Bauelementkonzepte entwickelt, bei denen die notwendige Doppelbrechung gezielt durch die Prozessierung von Oberflächengittern erzeugt wird. Das endgültige Ziel ist es, ein Konzept zu identifizieren, welches hohe Doppelbrechung mit effizienter Spininjektion für zukünftige praktische Bauelemente verbindet. Das Projekt liefert damit die entscheidenden Bausteine, um zukünftig elektrisch gepumpte Hochleistungs-Spin-Laser für eine neue Generation Spintronik-basierter Datenübertragungssysteme zu realisieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Martin Hofmann