自旋激光器：或将实现高速度、低功耗的数据传输！

导读

近日，德国波鸿大学等科研机构的工程师们开发出一种基于光线偏振调制的自旋激光器新系统，它或将实现高速度、低功耗的光纤数据传输。

背景

电子的电荷特性，成就了许多传统电子器件，却也带来发热与能耗的问题。随着能源危机日益加剧，以及传统电子器件逼近物理极限，电子的另一内禀特性：自旋，引起了科学家们的广泛关注。基于自旋的电子器件，可避免电荷的发热问题，从而显著降低功耗，并提升电子器件的性能。时下，自旋电子学正成为一个非常有前景的研究方向。

之前，笔者介绍过许多的自旋电子器件以及研究进展，这里就不再列举了。今天，让我们来重点关注一种新的自旋电子器件：“自旋激光器”。它有望在相当程度上加速光纤线缆中的数据传输，同时降低能耗。

创新

近日，德国波鸿大学的工程师们开发出一种新概念，它能通过光纤实现高速传输数据。在目前系统中，激光器通过光纤传输光信号，而信息编码在光线强度调制中。

取而代之的是，这个半导体自旋激光器新系统是基于光线偏振调制。2019年4月3日发表在《自然（Nature）》期刊上的论文，演示了自旋激光器的工作速度是最佳传统系统的五倍，能耗却只有几分之一。与其他基于自旋的半导体系统不同，这项技术有望工作在室温条件下，并无需任何外部磁场。波鸿大学光子与太赫兹技术研究团队与乌尔姆大学和布法罗大学的同事们合作实现了这一系统。

下图所示：自旋激光器的振荡频率可通过安装来进行机械控制。电气接触可通过可调节的针来实现。

（图片来源：RUB, Kramer）

技术

由于受到物理限制，基于光线强度调制而未利用复杂调制格式的数据传输只能达到40到50吉赫兹的频率。实现这个速度离不开高电流。波鸿大学的工程师 Martin Hofmann 教授打个比方说：“这有点像保时捷汽车，如果汽车行驶得很快，那么燃料消耗量就会急剧增加。除非我们马上升级这项技术，数据传输和网络消耗的能量将比我们目前在世界上生产的能量更多。”因此，Martin Hofmann 与博士 Nils Gerhardt 以及博士生 Markus Lindemann 一起在研究新的替代技术。

Markus Lindemann 正在开发超高速自旋激光器。（图片来源：RUB, Kramer）

乌尔姆大学提供的激光器尺寸仅有几个微米。研究人员们采用这种激光器生成振荡方向以一种特殊方式周期性改变的光波。当两个线性垂直偏振的光波交叠时，结果就形成了圆偏振光。

如下图所示，偏振描述了光波的振荡方向。线性偏振（红、蓝）：描述了光波的电场的向量在一个固定平面中振荡。圆偏振可以通过两个线性垂直的偏振光波的叠加来描述。电场向量围绕着传播方向旋转。如果交叠区域的频率不同，结果会生成振荡的圆偏振（黑色）。圆偏振度（绿色）的调制取决于频率差异。T 是这种调制的周期。

（图片来源：RUB, 光子与太赫兹技术）

在线性偏振中，描述光波电场的向量在一个固定平面中振荡。在圆偏振中，向量围绕着传播方向旋转。当两束线性偏振光波有着不同频率时，这个过程就会产生振荡的圆偏振。其中的振荡方向，以用户定义的超过200吉赫兹的频率，周期性反转。

Hofmann 描述道：“我们实验性地展示了200吉赫兹的振荡是可能的。但是我们不知道它能变得多快，因为我们还没有找到一个理论极限。”

单独的振荡并不会传递任何信息；为此，偏振必须经过调制，例如消除个别波峰。Hofmann、Gerhardt 和 Lindemann 的实验证明了这一点基本上可以实现。他们与 Igor Žutić 教授以及布法罗大学博士生 Gaofeng Xu 的团队展开合作，采用数值模拟证明了调制这种偏振的理论可能性，以及数据能以超过200吉赫兹的频率传输。

为了生成调制的圆偏振度，两个因素起到了决定性作用。它们分别是：激光器必须以一种特殊的方式运行，从而激发出两个垂直的线性偏振光波，两个光波的交叠会产生圆偏振；此外，发射出的两束光线的频率必须具有足够大的差异，从而促进高速振荡。

激光在半导体晶体中产生，半导体晶体注入了电子和空穴。当它们相遇时，会释放出光子。为了保证光线的正确偏振，注入电子的自旋（内禀角动量）是不可缺少的因素。只有当电子自旋以一种特定方式对齐时，激发出的光线才会达到期望的偏振。这对研究人员们来说是一项挑战，因为自旋的对齐方式会迅速变化。这就是为什么研究人员必须要尽可能靠近激光器内激发光子的光斑来注入电子。Hofmann 的团队已经为他们的构思申请了一项专利，这个构思是关于如何采用铁磁性材料来实现这一点。