Millimeterbølger for den sidste kilometer

Forskere på ETH Zürich har udviklet en modulator, hvormed data, der transmitteres via millimeterbølger, direkte kan konverteres til lyspulser til optiske fibre. Dette kan gøre dækning af den "sidste mil" op til internetstikket derhjemme betydeligt hurtigere og billigere.

De høje svingningsfrekvenser af lysbølger gør dem velegnede til hurtig datatransmission. De kan sendes gennem optiske fibre og bære let hundredvis af milliarder bits (Gigabits) i sekundet. Den "sidste mil" fra et centralt fiberoptisk kabel til internetstikket derhjemme, imidlertid, er den sværeste og dyreste. Nogle alternativer, f.eks. 4/5G mobiltelefoni, er billigere, men de kan ikke give alle brugere samtidig de ekstremt høje transmissionshastigheder, der kræves af nutidens datahungrende applikationer som f.eks. streaming-tv.

Jürg Leuthold, professor ved instituttet for elektromagnetiske felter ved ETH Zürich, og hans samarbejdspartnere har nu, med støtte fra kolleger ved University of Washington i Seattle, udviklet en ny lysmodulator, der vil gøre det muligt i fremtiden at dække de sidste kilometer effektivt og til en lav pris med højfrekvente mikrobølger-såkaldte millimeterbølger-og dermed høje datatransmissionshastigheder.

Lysmodulator uden elektronik

At overføre data kodet i optiske fibre gennem en variation i lysintensiteten til millimeterbølger, meget hurtige - og dermed dyre - elektroniske komponenter er nødvendige. I den modsatte retning, millimeterbølger skal først modtages af en antenne, derefter forstærket og blandet ned til basisbånd og til sidst injiceret i en lysmodulator, som oversætter dataene i radiobølgerne tilbage til lysimpulser.

Det er nu lykkedes Leuthold og hans kolleger at bygge en lysmodulator, der fungerer helt uden batterier og elektronik. "Det gør vores modulator helt uafhængig af eksterne strømforsyninger og, oven i købet, ekstremt lille, så den kan, i princippet, monteres på enhver lygtepæl. Derfra, den kan derefter modtage data via mikrobølgesignaler fra individuelle huse og føre dem direkte ind i den centrale optiske fiber ", forklarer Yannick Salamin, en ph.d. studerende, der ydede afgørende bidrag til udviklingen af ​​den nye modulator.

Modulation gennem plasmoner

Modulatoren, der er bygget af ETH -forskerne, består af en chip, der måler mindre end en millimeter, og som også indeholder mikrobølgeantennen. Denne antenne modtager millimeterbølgerne og konverterer dem til en elektrisk spænding. Spændingen virker derefter på en tynd slot i midten af ​​chippen - modulatorens egentlige hjerte. Der, en smal spalte, bare et par mikrometer langt og mindre end hundrede nanometer bredt, er fyldt med et materiale, der er særligt følsomt over for elektriske felter. Lysstrålen fra fiberen føres ind i den spalte. Inde i spalten, imidlertid, lyset formerer sig - anderledes end det fiberoptiske kabel eller luft - ikke længere som en elektromagnetisk bølge, men som en såkaldt plasmon. Plasmoner er hybridvæsener lavet af elektromagnetiske felter og svingninger af elektrisk ladning på overfladen af ​​et metal. På grund af denne ejendom, de kan begrænses meget tættere end lysbølger.

Det elektrisk følsomme ("ikke -lineære") materiale inde i spalten sikrer, at selv det mindste elektriske felt, der er skabt af antennen, vil påvirke plasmonernes forplantning stærkt. Denne indflydelse på bølgernes oscillerende fase bevares, når plasmonerne omdannes til lysbølger for enden af ​​spalten. På denne måde, databitene i millimeterbølgerne overføres direkte til lysbølgerne - uden at tage en omvej gennem elektronik, og uden ekstern strøm. I et laboratorieeksperiment med mikrobølgesignaler ved 60 Gigahertz, forskerne var i stand til at demonstrere dataoverførselshastigheder på op til 10 Gigabit per sekund over en afstand på fem meter, og 20 Gigabit i sekundet over en meter.

Billig og alsidig

Udover den lille størrelse og det ubetydelige energiforbrug, den nye modulator har en række yderligere fordele. "Den direkte overførsel fra millimeterbølger til lysbølger gør vores modulator særlig alsidig med hensyn til frekvensen og det nøjagtige format af datakodning", Leuthold understreger. Faktisk, modulatoren er allerede kompatibel både med den nye 5G-teknologi og med fremtidige industristandarder baseret på millimeterbølge- og terahertz-frekvenser på 300 Gigahertz og datatransmissionshastigheder på op til 100 Gigabit per sekund. I øvrigt, det kan fremstilles ved hjælp af konventionel siliciumteknologi, og dermed til en forholdsvis lav pris.

Endelig, Leuthold kan berolige brugere, der kan være bekymrede for den involverede elektromagnetiske stråling. Anderledes end radiobølgerne eller mikrobølgerne på et WiFi -modem, der formerer sig jævnt i alle retninger, millimeterbølger kan være stærkt fokuserede til transmission til ydersiden og kun sprede sig mellem tagantennen og en lyspæl inde i en stråle, der er tyve centimeter i diameter. Dette reducerer kraftigt den strøm, der er nødvendig til transmission i forhold til andre trådløse teknologier. Det eliminerer også de typiske problemer med WiFi -modemer, hvis signaler kan komme i vejen for hinanden.