Modulator verwandelt Millimeterwellen in Licht

ETHZ macht Überbrückung der "letzten Meile" bis zum Internetanschluss schneller und billiger

"Letzte Meile" zum heimischen Internetanschluss (Bild: ethz.ch, Yannick Salamin)

Zürich/Seattle (pte013/21.11.2018/10:30) – Forscher der ETH Zürich (ETHZ) http://ethz.ch haben zusammen mit Kollegen der University of Washington http://uw.edu einen neuen Lichtmodulator entwickelt, mit dem sich durch hochfrequente
Millimeterwellen übertragene Daten direkt in Lichtpulse für Glasfasern
umgewandeln lassen. Dadurch könnte die Überbrückung der sogenannten
"letzten Meile" bis zum heimischen Internetanschluss deutlich schneller
und billiger werden.

Ohne Elektronik und Batterien

Der neue Lichtmodulator kommt gänzlich ohne Elektronik und Batterien
aus. "Dadurch ist unser Modulator vollkommen unabhängig von externer
Stromversorgung und zudem extrem klein, so dass man ihn im Prinzip an
jedem Laternenpfahl anbringen kann. Von dort aus kann er dann über
Millimeterwellensignale Daten aus einzelnen Häusern empfangen und direkt
in die zentrale Glasfaser speisen", erklärt ETHZ-Doktorand Yannick
Salamin.

Der Modulator besteht aus einem weniger als einen Millimeter großen
Chip, der die Millimeterwellenantenne enthält. Diese empfängt die
Millimeterwellen und wandelt sie in eine elektrische Spannung um. Die
Spannung fällt dann in der Mitte des Chips über einem dünnen Spalt ab.
Dort befindet sich ein nur wenige Mikrometer langer und weniger als
hundert Nanometer enger Schlitz, der mit einem für elektrische Felder
besonders empfindlichen Material gefüllt ist.

In diesen Schlitz wird der Lichtstrahl der Glasfaser eingespeist. Dort
allerdings breitet sich das Licht – anders als in der Glasfaser oder in
der Luft – nicht mehr als elektromagnetische Welle, sondern als
sogenanntes Plasmon aus. Plasmonen sind Zwitterwesen aus
elektromagnetischen Feldern und Schwingungen elektrischer Ladung an der
Oberfläche eines Metalls. Dank dieser Eigenschaft kann man sie auf viel
engerem Raum einschließen als Lichtwellen.

Datenübertragung durch Trick

Eine direkte Datenübertragung wird durch einen Trick möglich. Denn das
Material im Schlitz sorgt dafür, dass auch kleinste von der Antenne
erzeugte elektrische Felder die Ausbreitung der Plasmonen stark
beeinflussen. Dieser Einfluss auf die Schwingungsphase der Wellen bleibt
erhalten, wenn die Plasmonen am Ende des Schlitzes wieder in
Lichtwellen umgewandelt werden. Auf diese Weise werden die in den
Millimeterwellen enthaltenen Daten-Bits direkt auf die Lichtwellen
übertragen – ohne Umwege über Elektronik und ohne Energiezufuhr von
außen.

Im Labortest mit 60 Gigahertz-Millimeterwellensignalen konnten die
Forscher bereits Datenübertragungsraten von bis zu zehn Gigabit pro
Sekunde über eine Entfernung von fünf Metern und 20 Gigabit pro Sekunde
über einen Meter demonstrieren. Außer dem winzigen Format und dem
geringen Energieverbrauch hat der Modulator noch andere Vorteile. "Die
direkte Übertragung von Millimeterwellen auf Lichtwellen macht unseren
Modulator besonders flexibel, was die Frequenzen und das genaue Format
der Datenkodierung angeht", so ETHZ-Forschungsleiter Jürg Leuthold.