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2020 | Buch

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Ultraschnelle Spin-Laser für die nächste Generation der optischen Datenübertragung

verfasst von: Markus Lindemann

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Es ist zweifelhaft, ob die in Server-Zentren für die optische Datenkommunikation eingesetzten konventionellen vertikal-emittierenden Halbleiter-Laser (VCSEL) die steigenden Anforderungen an die Modulationsgeschwindigkeit und Energieeffizienz in Zukunft erfüllen können. Eine Alternative stellen Spin-VCSEL dar, welche das Potenzial haben, mithilfe von Polarisationsmodulation konventionelle intensitätsmodulierte Laser sowohl um eine Größenordnung bei der Modulationsgeschwindigkeit zu übertreffen als auch im Energieverbrauch zu unterbieten. Markus Lindemann beschreibt die physikalischen Grundlagen des Spin-VCSELs und erarbeitet einen Vergleich zwischen konventionellem VCSEL und Spin-VCSEL. Anhand detailliert beschriebener Experimente und Simulationen demonstriert er das Potenzial des Spin-VCSELs. Er erläutert zusätzlich ein Konzept für eine effiziente elektrische Spin-Injektion für zukünftige Kommunikationssysteme.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Einleitung
Zusammenfassung
Das Internet ist ein weltweiter technischer Flickenteppich und basiert teils noch auf Telefon-Technologie, die viele Jahre alt ist [1]. Kupferleitungen werden inzwischen durch die vorteilhaften Glasfasern für optische Datenübertragung ersetzt. Dies ermöglicht eine höhere Bandbreite und längere Übertragungsstrecken [2].
Markus Lindemann
Kapitel 2. Grundlagen
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden zunächst der Stand der Technik und alternative Konzepte für optische Datenübertragung erörtert. Die typischen Kennwerte für die Performance von Lasern zur optischen Datenübertragung werden eingeführt. Dann folgt eine Einführung zur Arbeitsweise des VCSELs und seinem Polarisationsverhalten sowie eine Erläuterung, wie Einfluss auf seine Doppelbrechung genommen wird.
Markus Lindemann
Kapitel 3. Baustein (i): Kontrolle der Doppelbrechung
Zusammenfassung
Da sich die Doppelbrechung als zentraler Parameter zur Optimierung der Polarisationsdynamik erweisen wird, werden zunächst Methodiken vorgestellt, mit deren Hilfe die Doppelbrechung sicher kontrolliert werden kann.
Markus Lindemann
Kapitel 4. Baustein (ii): Kontrolle der Polarisationsdynamik
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird der Schritt von der statischen Einstellung der Doppelbrechung zur Untersuchung des dynamischen Verhaltens der Polarisation in Abhängigkeit von der Doppelbrechung beschrieben. Nach einer kurzen Übersicht der verwandten Arbeiten wird der für die folgenden Experimente verwendete grundlegende Aufbau aus VCSEL und Messinstrumenten erläutert. Darauf folgt eine Beschreibung der Erzeugung der optischen Pumpstrahlung für die Experimente.
Markus Lindemann
Kapitel 5. Baustein (iii): Ultraschnelle Polarisationsdynamik
Zusammenfassung
Bisher wurde gezeigt, dass die Resonanzfrequenz der Polarisationsdynamik durch die Doppelbrechung kontrolliert werden kann. Bedingt durch experimentelle Limitierungen wurde jedoch nur eine maximale Resonanzfrequenz von 44GHz erreicht. In diesem Kapitel wird experimentell demonstriert, dass die Polarisationsdynamik Rekordwerte von über 200GHz annehmen kann und damit fast eine Größenordnung schneller ist als die Intensitätsdynamik in den besten konventionellen Lasern.
Markus Lindemann
Kapitel 6. Baustein (iv): Polarisationsmodulation
Zusammenfassung
Im vorigen Kapitel wurde das Potential der Polarisationsdynamik des Spin-VCSELs experimentell demonstriert, indem extrem hochfrequente Eigenresonanzen zur Oszillation angeregt wurden. Eine Grundvoraussetzung für die Übertragung von Daten ist jedoch nicht nur eine Resonanzoszillation, sondern auch geeignetes dynamisches Modulationsverhalten mit ausreichend großer Bandbreite. Dies wird in diesem Kapitel untersucht, indem die Spin-Polarisation der Spin-Injektion in den VCSEL mit einer harmonischen Oszillation von konstanter Amplitude und einstellbarer Frequenz moduliert wird.
Markus Lindemann
Kapitel 7. Baustein (v): Datenübertragung
Zusammenfassung
Kann die derartig schnelle Polarisationsdynamik nun für optische Datenübertragung genutzt werden, stellt der Spin-VCSEL seine überlegene Leistungsfähigkeit unter Beweis. Ein übliches Vorgehen zur Untersuchung der Performance von Lasern für die optische Datenübertragung ist das Erzeugen eines Augendiagramms. Hierbei wird nicht mehr eine reine harmonische Modulation verwendet, sondern ein realistischer, zufällig erzeugter Datenstrom übertragen und das Ergebnis analysiert.
Markus Lindemann
Kapitel 8. Baustein (vi): Spin-VCSEL in der Anwendung
Zusammenfassung
Bei der optischen Kurzstreckendatenübertragung werden VCSEL direkt über den Strom mit IM betrieben. Die resultierende Intensität wird mit einem Photoempfänger detektiert. Solche Übertragungssysteme können heute sehr günstig realisiert werden und sind weit verbreitet in Server-Zentren.
Markus Lindemann
Kapitel 9. Zusammenfassung und Ausblick
Zusammenfassung
In dieser Arbeit wurde die Polarisationsdynamik des vertikal emittierenden Spin-Lasers (Spin-VCSEL) untersucht und seine Eignung für optische Datenkommunikation analysiert. In einem Spin-VCSEL konnte die Polarisation des emittierten Lichts über die optischen Auswahlregeln durch die Spin-Polarisation der Ladungsträger in der aktiven Zone kontrolliert werden. Unter dynamischer Änderung der Spin-Polarisation ergab sich somit auch eine dynamische optische Polarisation.
Markus Lindemann
Backmatter
Metadaten
Titel
Ultraschnelle Spin-Laser für die nächste Generation der optischen Datenübertragung
verfasst von
Markus Lindemann
Copyright-Jahr
2020
Electronic ISBN
978-3-658-28522-7
Print ISBN
978-3-658-28521-0
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-28522-7

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    Bildnachweise