Modulator verwandelt Millimeterwellen in Licht

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.

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