Millimeterwellen für die letzte Meile

Im neuen Modulator werden Millimeterwellensignale (blau) von einer Antenne empfangen und im winzigen Schlitz in der Mitte in optische Signale (rot) umgewandelt. ETH Zürich / Jürg Leuthold

Lichtwellen eigenen sich wegen ihrer hohen Schwingungsfrequenz hervorragend zur schnellen Übertragung von Daten.

Durch Glasfasern geschickt, können sie problemlos hunderte Milliarden Bits (Gigabits) pro Sekunde transportieren. Die «letzte Meile» von einer zentralen Glasfaser zum heimischen Internetanschluss ist dabei die aufwendigste und kostspieligste.

Alternativen wie zum Beispiel 4/5G-Mobiltelefonie sind günstiger, können allerdings nicht allen Anwendern gleichzeitig die extrem hohen Übertragungsraten bieten, die heute von datenintensiven Anwendungen wie etwa Streaming-TV benötigt werden.

Jürg Leuthold, Professor am Institut für Elektromagnetische Felder der ETH Zürich, und seine Mitarbeiter haben nun mit Unterstützung von Kollegen der University of Washington in Seattle einen neuartigen Lichtmodulator entwickelt, mit dem die letzte Meile zukünftig kostengünstig und energiesparend mit hochfrequenten Mikrowellen – so genannten Millimeterwellen – und dadurch mit hohen Übertragungsraten zurückgelegt werden kann.

Lichtmodulator ohne Elektronik

Um Daten, die auf Millimeterwellen kodiert sind, in Lichtpulse zur Übertragung in einer Glasfaser umzuwandeln, benötigt man normalerweise sehr schnelle – und deshalb teure – elektronische Bauteile.

Die Millimeterwellen müssen zuerst von einer Antenne empfangen, dann verstärkt und schliesslich in einen Lichtmodulator gespeist werden, der die in den Millimeterwellen enthaltenen Daten wieder in Lichtpulse übersetzt.

Leuthold und seinen Kollegen ist es nun gelungen, einen Lichtmodulator zu bauen, der gänzlich ohne Elektronik und Batterien auskommt.

«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 Yannick Salamin, der als Doktorand den neuen Modulator massgeblich mitentwickelt hat.

Modulation durch Plasmonen

Der Modulator der ETH-Forscher besteht aus einem weniger als einen Millimeter grossen Chip, der gleichzeitig die Millimeterwellenantenne enthält. Diese Antenne 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 – dem eigentlichen Herzstück des Modulators. Dort befindet sich ein nur wenige Mikrometer langer und weniger als hundert Nanometer enger Schlitz, der mit einem auf 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 so genanntes 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.

Das elektrisch empfindliche («nichtlineare») 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 Laborexperiment mit 60 Gigahertz-Millimeterwellensignalen konnten die Forscher bereits Datenübertragungsraten von bis zu 10 Gigabit pro Sekunde über eine Entfernung von fünf Metern und 20 Gigabit pro Sekunde über einen Meter demonstrieren.

Billig und flexibel einsetzbar

Ausser dem winzigen Format und dem geringen Energieverbrauch hat der neue Modulator aber noch einige andere Vorteile.

«Die direkte Übertragung von Millimeterwellen auf Lichtwellen macht unseren Modulator besonders flexibel, was die Frequenzen und das genaue Format der Datenkodierung angeht», betont Leuthold.

So ist der Modulator schon jetzt sowohl mit der neuen 5G-Technologie kompatibel als auch mit zukünftigen Industriestandards, die Frequenzen von 300 Gigahertz und Übertragungsraten von bis zu 100 Gigabit pro Sekunde vorsehen. Zudem kann er mit herkömmlicher Silizium-Technologie und dadurch vergleichsweise billig hergestellt werden.

Schliesslich kann Leuthold auch Anwender beruhigen, denen die elektromagnetische Strahlung Sorge bereitet. Anders als die Radio- und Mikrowellen eines Wifi-Modems, die sich gleichmässig im Raum ausbreiten, können die Millimeterwellen für die Übertragung nach aussen nämlich stark gebündelt werden und breiten sich so in einem nur zwanzig Zentimeter breiten Strahl zwischen Hausantenne und Laternenpfahl aus.

So kann die Sendeleistung im Vergleich mit anderen Wireless-Technologien reduziert werden. Dadurch fallen auch die üblichen Probleme von Wifi-Modems weg, deren Signale sich gegenseitig in die Quere kommen können.

Salamin Y et al.: Microwave plasmonic mixer in a transparent fibre–wireless link, Nature Photonics, 29. Oktober 2018, doi: 10.1038/s41566-018-0281-6 [http://dx.doi.org/10.1038/s41566-018-0281-6]

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