自旋激光器：或將實現高速度、低功耗的數據傳輸！

導讀

近日，德國波鴻大學等科研機構的工程師們開發出一種基於光線偏振調製的自旋激光器新系統，它或將實現高速度、低功耗的光纖數據傳輸。

背景

電子的電荷特性，成就了許多傳統電子器件，卻也帶來發熱與能耗的問題。隨著能源危機日益加劇，以及傳統電子器件逼近物理極限，電子的另一內稟特性：自旋，引起了科學家們的廣泛關注。基於自旋的電子器件，可避免電荷的發熱問題，從而顯著降低功耗，並提升電子器件的性能。時下，自旋電子學正成為一個非常有前景的研究方向。

之前，筆者介紹過許多的自旋電子器件以及研究進展，這裡就不再列舉了。今天，讓我們來重點關注一種新的自旋電子器件：「自旋激光器」。它有望在相當程度上加速光纖線纜中的數據傳輸，同時降低能耗。

創新

近日，德國波鴻大學的工程師們開發出一種新概念，它能通過光纖實現高速傳輸數據。在目前系統中，激光器通過光纖傳輸光信號，而信息編碼在光線強度調製中。

取而代之的是，這個半導體自旋激光器新系統是基於光線偏振調製。2019年4月3日發表在《自然（Nature）》期刊上的論文，演示了自旋激光器的工作速度是最佳傳統系統的五倍，能耗卻只有幾分之一。與其他基於自旋的半導體系統不同，這項技術有望工作在室溫條件下，並無需任何外部磁場。波鴻大學光子與太赫茲技術研究團隊與烏爾姆大學和布法羅大學的同事們合作實現了這一系統。

下圖所示：自旋激光器的振蕩頻率可通過安裝來進行機械控制。電氣接觸可通過可調節的針來實現。

（圖片來源：RUB, Kramer）

技術

由於受到物理限制，基於光線強度調製而未利用複雜調製格式的數據傳輸只能達到40到50吉赫茲的頻率。實現這個速度離不開高電流。波鴻大學的工程師 Martin Hofmann 教授打個比方說：「這有點像保時捷汽車，如果汽車行駛得很快，那麼燃料消耗量就會急劇增加。除非我們馬上升級這項技術，數據傳輸和網路消耗的能量將比我們目前在世界上生產的能量更多。」因此，Martin Hofmann 與博士 Nils Gerhardt 以及博士生 Markus Lindemann 一起在研究新的替代技術。

Markus Lindemann 正在開發超高速自旋激光器。（圖片來源：RUB, Kramer）

烏爾姆大學提供的激光器尺寸僅有幾個微米。研究人員們採用這種激光器生成振蕩方向以一種特殊方式周期性改變的光波。當兩個線性垂直偏振的光波交疊時，結果就形成了圓偏振光。

如下圖所示，偏振描述了光波的振蕩方向。線性偏振（紅、藍）：描述了光波的電場的向量在一個固定平面中振蕩。圓偏振可以通過兩個線性垂直的偏振光波的疊加來描述。電場向量圍繞著傳播方向旋轉。如果交疊區域的頻率不同，結果會生成振蕩的圓偏振（黑色）。圓偏振度（綠色）的調製取決於頻率差異。T 是這種調製的周期。

（圖片來源：RUB, 光子與太赫茲技術）

在線性偏振中，描述光波電場的向量在一個固定平面中振蕩。在圓偏振中，向量圍繞著傳播方向旋轉。當兩束線性偏振光波有著不同頻率時，這個過程就會產生振蕩的圓偏振。其中的振蕩方向，以用戶定義的超過200吉赫茲的頻率，周期性反轉。

Hofmann 描述道：「我們實驗性地展示了200吉赫茲的振蕩是可能的。但是我們不知道它能變得多快，因為我們還沒有找到一個理論極限。」

單獨的振蕩並不會傳遞任何信息；為此，偏振必須經過調製，例如消除個別波峰。Hofmann、Gerhardt 和 Lindemann 的實驗證明了這一點基本上可以實現。他們與 Igor ?uti? 教授以及布法羅大學博士生 Gaofeng Xu 的團隊展開合作，採用數值模擬證明了調製這種偏振的理論可能性，以及數據能以超過200吉赫茲的頻率傳輸。

為了生成調製的圓偏振度，兩個因素起到了決定性作用。它們分別是：激光器必須以一種特殊的方式運行，從而激發出兩個垂直的線性偏振光波，兩個光波的交疊會產生圓偏振；此外，發射出的兩束光線的頻率必須具有足夠大的差異，從而促進高速振蕩。

激光在半導體晶體中產生，半導體晶體注入了電子和空穴。當它們相遇時，會釋放出光子。為了保證光線的正確偏振，注入電子的自旋（內稟角動量）是不可缺少的因素。只有當電子自旋以一種特定方式對齊時，激發出的光線才會達到期望的偏振。這對研究人員們來說是一項挑戰，因為自旋的對齊方式會迅速變化。這就是為什麼研究人員必須要儘可能靠近激光器內激發光子的光斑來注入電子。Hofmann 的團隊已經為他們的構思申請了一項專利，這個構思是關於如何採用鐵磁性材料來實現這一點。

自旋激光器具有電氣控制振蕩頻率的集成技術（圖片來源：RUB, Kramer）

振蕩所需要的兩個激發光波之間的頻率差異，是採用 Rainer Michalzik 教授所帶領的烏爾姆大學團隊所提供的一項技術。為此，半導體晶體需要是雙折射的。於是，由晶體發出的兩個垂直偏振光波的折射率有著輕微差異。因此，光波擁有不同的頻率。通過彎曲半導體晶體，研究人員們能調整折射率之間的差異以及頻率差異。這個差異決定了振蕩的速度，它將最終變成提高數據傳輸速度的基礎。

價值

Martin Hofmann 總結道：「這個系統尚未準備好投入應用。這項技術還有待優化。我們希望通過展示自旋激光器的潛力來打開新的研究領域。」

關鍵字

激光、光學、自旋

參考資料

【1】https://news.rub.de/english/press-releases/2019-04-04-information-technology-spin-lasers-facilitate-rapid-data-transfer

【2】http://dx.doi.org/10.1038/s41586-019-1073-y

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