Millimeterwellen für die letzte Meile

Lichtwellen eigenen sich wegen ihrer hohen Schwingungsfrequenz hervorragend zur schnellen ?bertragung von Daten. Durch Glasfasern geschickt, k?nnen 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 g¨¹nstiger, k?nnen allerdings nicht allen Anwendern gleichzeitig die extrem hohen ?bertragungsraten bieten, die heute von datenintensiven Anwendungen wie etwa Streaming-TV ben?tigt werden.

J¨¹rg Leuthold, Professor am Institut f¨¹r Elektromagnetische Felder der ETH Z¨¹rich, und seine Mitarbeiter haben nun mit Unterst¨¹tzung von Kollegen der University of Washington in Seattle einen neuartigen Lichtmodulator entwickelt, mit dem die letzte Meile zuk¨¹nftig kosteng¨¹nstig und energiesparend mit hochfrequenten Mikrowellen ¨C so genannten Millimeterwellen ¨C und dadurch mit hohen ?bertragungsraten zur¨¹ckgelegt werden kann.

Lichtmodulator ohne Elektronik

Um Daten, die auf Millimeterwellen kodiert sind, in Lichtpulse zur ?bertragung in einer Glasfaser umzuwandeln, ben?tigt man normalerweise sehr schnelle ¨C und deshalb teure ¨C elektronische Bauteile. Die Millimeterwellen m¨¹ssen zuerst von einer Antenne empfangen, dann verst?rkt und schliesslich in einen Lichtmodulator gespeist werden, der die in den Millimeterwellen enthaltenen Daten wieder in Lichtpulse ¨¹bersetzt.

Leuthold und seinen Kollegen ist es nun gelungen, einen Lichtmodulator zu bauen, der g?nzlich ohne Elektronik und Batterien auskommt. ?Dadurch ist unser Modulator vollkommen unabh?ngig von externer Stromversorgung und zudem extrem klein, so dass man ihn im Prinzip an jedem Laternenpfahl anbringen kann. Von dort aus kann er dann ¨¹ber Millimeterwellensignale Daten aus einzelnen H?usern empfangen und direkt in die zentrale Glasfaser speisen?, erkl?rt 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 enth?lt. Diese Antenne empf?ngt die Millimeterwellen und wandelt sie in eine elektrische Spannung um. Die Spannung f?llt dann in der Mitte des Chips ¨¹ber einem d¨¹nnen Spalt ab ¨C dem eigentlichen Herzst¨¹ck 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 gef¨¹llt ist. In diesen Schlitz wird der Lichtstrahl der Glasfaser eingespeist. Dort allerdings breitet sich das Licht ¨C anders als in der Glasfaser oder in der Luft ¨C nicht mehr als elektromagnetische Welle, sondern als so genanntes Plasmon aus. Plasmonen sind Zwitterwesen aus elektromagnetischen Feldern und Schwingungen elektrischer Ladung an der Oberfl?che eines Metalls. Dank dieser Eigenschaft kann man sie auf viel engerem Raum einschliessen als Lichtwellen.

Das elektrisch empfindliche (?nichtlineare?) Material im Schlitz sorgt daf¨¹r, 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 ¨¹bertragen ¨C ohne Umwege ¨¹ber Elektronik und ohne Energiezufuhr von aussen. Im Laborexperiment mit 60 Gigahertz-Millimeterwellensignalen konnten die Forscher bereits Daten¨¹bertragungsraten von bis zu 10 Gigabit pro Sekunde ¨¹ber eine Entfernung von f¨¹nf Metern und 20 Gigabit pro Sekunde ¨¹ber 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 ?bertragung 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 zuk¨¹nftigen Industriestandards, die Frequenzen von 300 Gigahertz und ?bertragungsraten von bis zu 100 Gigabit pro Sekunde vorsehen. Zudem kann er mit herk?mmlicher 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 gleichm?ssig im Raum ausbreiten, k?nnen die Millimeterwellen f¨¹r die ?bertragung nach aussen n?mlich stark geb¨¹ndelt 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 ¨¹blichen Probleme von Wifi-Modems weg, deren Signale sich gegenseitig in die Quere kommen k?nnen.