在互联网带宽不断增长的驱动中，一个潜在的瓶颈在于当前驱动的、强度调制的垂直腔面发射激光器（VCSEL），它处理数据中心之间的短时间、高速光互连。尽管这些半导体激光器使数据传输速率大大提高，但它们对光强度调制的依赖最终会施加一个上限，并在接近该极限时需要增加电能。德国和美国研究机构的研究人员现在已经想出了一种方法，可以超越这个限制，该技术效仿新兴的自旋电子学领域（Nature，DOI:10.1038/S41586-019-1073-Y）。具体而言，研究小组已经发现，通过注入自旋电荷和圆极化激光泵浦脉冲，并通过机械弯曲VCSEL半导体，它可以将系统移动到承载以极化而不是强度编码的数据的系统。据研究人员称，数据载体的这种转换可以大大降低能源成本，并且可以将激光器的信息携带带宽提高几乎比最传统的强度调制VCSEL高出一个数量级。该团队认为，该技术具有在室温下工作的额外优点，它提供了一种克服“短距离光学互连中的带宽瓶颈”的可能方法。

图1. 德国-美国联合团队的自旋激光装置的一种视图，研究人员说，这种装置最终可以将某些通信设置中的数据传输速率提高一个数量级或更多

包括德国波鸿鲁尔大学（Ruhr-Universität Bochum）和乌尔姆大学（Ulm University）的科学家，以及美国布法罗纽约州立大学的科学家在内的研究团队解决的问题在于如何将数据编码到泵浦VCSEL的激光上。编码特别依赖于光强度的调制。然而，由于电荷载流子和激光半导体中的光子之间的耦合动力学以及热效应，这种强度编码直接限制了调制带宽 ——基本上是新数据可以编码到光束上的速率不超过35 GHz（每秒350亿次）。虽然这听起来很快，但研究人员指出，随着全球对互联网数据的需求不断扩大，这一上限将带来巨大的瓶颈。此外，由于激光器是电泵浦的，当达到这个带宽限制时会带来巨大的能源成本。“除非我们很快升级技术，”波鸿的团队负责人马丁·霍夫曼（Martin Hoffmann）在研究报告的新闻稿中指出，“数据传输和互联网将消耗比我们目前地球上产生的更多的能源。”

这一窘境刺激了人们寻找增强激光调制带宽的方法，包括对材料和激光镜设计的调整，甚至是新型耦合腔VCSEL阵列或光子晶体系统。但是，尽管其中一些方法已经成功地将调制频率推到了100GHz以上，但它们需要低温才能做到这一点。德国-美国的研究小组没有考虑材料或VCSEL设计的变化，而是专注于通过切换到一个不同的调制系统来加速数据传输，该系统依赖于光偏振的变化而不是光强度的变化。为了实现这一目标，研究人员专注于从新兴的自旋电子学领域中提取的概念。自旋电子学专注于利用除了电荷外还利用电子的量子机械自旋和相关的磁矩制造电子器件。这项计划打开了一个自由度，希望能大大提高设备效率和信息存储容量。在光子学领域，自旋电子学方法导致了所谓的自旋激光器的发展，在这种激光器中，自旋极化电荷载流子被注入激光半导体，以利用电子自旋和光子极化之间的势能耦合。

图2. 发射的光在水平和垂直极化方向上电场频率不同可产生圆极化，该圆极化以与两个极化分量之间的差异相关的“拍频”频率振荡。这种偏振振荡可以作为光通信中的超高速数据载体。

支持这项新研究背后的团队希望了解这种耦合能否在常规半导体激光器中发挥作用，以实现更快的数据传输速率，依赖于极化振荡而非强度振荡。为此，他们需要一个具有高双折射率的VCSEL，即折射率在x和y方向上不同的VCSEL。这种各向异性允许在x和y偏振分量中产生具有不同频率的线偏振VCSEL光束。由于圆极化本质上是线性极化分量的叠加，这些频率差将导致圆极化或自旋极化，该极化将以与两个线性极化分量之间的差频相关的拍频在左右旋之间振荡。研究小组发现，只要对传统的VCSEL阵列进行机械弯曲，就可以获得正确的双折射。作为额外的奖励，研究人员能够通过调整半导体的弯曲量来调整VCSEL发射中的双折射量，从而调整偏振切换的频率。

图3. 该团队的设置使用弯曲的半导体激光器阵列来增加双折射，并结合电气和光学泵浦。结果使用条纹相机读取结果。

支持这项新研究背后的团队希望了解这种耦合能否在常规半导体激光器中发挥作用，以实现更快的数据传输速率，依赖于极化振荡而非强度振荡。为此，他们需要一个具有高双折射率的VCSEL，即折射率在x和y方向上不同的VCSEL。这种各向异性允许在x和y偏振分量中产生具有不同频率的线偏振VCSEL光束。由于圆极化本质上是线性极化分量的叠加，这些频率差将导致圆极化或自旋极化，该极化将以与两个线性极化分量之间的差频相关的拍频在左右旋之间振荡。研究小组发现，只要对传统的VCSEL阵列进行机械弯曲，就可以获得正确的双折射。作为额外的奖励，研究人员能够通过调整半导体的弯曲量来调整VCSEL发射中的双折射量，从而调整偏振切换的频率。

虽然研究人员测量了偏振振荡的速率，但他们并没有尝试使用该设备传输偏振调制信息，尽管他们确实进行了数值实验，表明在200 GHz以上的速率下，偏振调制数据传输是可能的。事实上，研究小组认为，它所展示的基本设计可以通过其他技术更快地推进，例如使用2-D材料制造激光器，这种材料可以支持非常大的应变和非常高的双折射，从而产生更快速的偏振振荡。霍夫曼说：“我们已经通过实验证明了200GHz的振荡是可能的。”“但我们不知道它能快多少，因为我们还没有找到理论上的极限。”该团队得出结论，其结果“克服了传统直接调制激光器的关键速度限制，并为下一代低能耗超快速光通信提供了前景。”

图4. 主要作者Markus Lindemann在光学平台上调整设备。

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