Forskare vid ETH Zürich har utvecklat en modulator med vilken data som överförs via millimetervågor direkt kan omvandlas till ljuspulser för optiska fibrer. Detta kan göra det betydligt snabbare och billigare att täcka den "sista milen" upp till internetuttaget hemma.

Ljusvågornas höga oscillationsfrekvenser gör dem idealiska för snabb dataöverföring. De kan skickas genom optiska fibrer och bär lätt hundratals miljarder bitar (Gigabits) per sekund. Den "sista milen" från en central fiberoptisk kabel till internetuttaget hemma, dock, är svårast och dyrast. Några alternativ, till exempel 4/5G mobiltelefoni, är billigare, men de kan inte förse alla användare samtidigt med de extremt höga överföringshastigheter som krävs av dagens datahungriga applikationer som strömmande TV.

Jürg Leuthold, professor vid Institutet för elektromagnetiska fält vid ETH Zürich, och hans medarbetare har nu, med stöd av kollegor vid University of Washington i Seattle, utvecklat en ny ljusmodulator som gör det möjligt att i framtiden klara den sista milen effektivt och till en låg kostnad med högfrekventa mikrovågor – så kallade millimetervågor – och därmed höga dataöverföringshastigheter.

Ljusmodulator utan elektronik

För att överföra data kodad i optiska fibrer genom en variation i ljusintensiteten till millimetervågor, mycket snabba – och därmed dyra – elektroniska komponenter behövs. Åt motsatt håll, millimetervågor måste först tas emot av en antenn, sedan förstärks och blandas ner till basband och slutligen injiceras i en ljusmodulator, som översätter data som finns i radiovågorna tillbaka till ljuspulser.

Leuthold och hans kollegor har nu lyckats bygga en ljusmodulator som fungerar helt utan batterier och elektronik. "Det gör vår modulator helt oberoende av extern strömförsörjning och, dessutom, extremt liten så att den kan, i princip, monteras på valfri lyktstolpe. Därifrån, den kan sedan ta emot data via mikrovågssignaler från enskilda hus och mata in dem direkt i den centrala optiska fibern", förklarar Yannick Salamin, en Ph.D. student som gjort avgörande bidrag till utvecklingen av den nya modulatorn.

Modulering genom plasmoner

Modulatorn som byggts av ETH-forskarna består av ett chip på mindre än en millimeter som även innehåller mikrovågsantennen. Den antennen tar emot millimetervågorna och omvandlar dem till en elektrisk spänning. Spänningen verkar sedan på en tunn slits i mitten av chippet – själva hjärtat av modulatorn. Där, en smal slits, bara några mikrometer lång och mindre än hundra nanometer bred, är fylld med ett material som är särskilt känsligt för elektriska fält. Ljusstrålen från fibern matas in i den slitsen. Inne i slitsen, dock, ljuset fortplantar sig – annorlunda än den fiberoptiska kabeln eller luften – inte längre som en elektromagnetisk våg, utan som en så kallad plasmon. Plasmoner är hybridvarelser gjorda av elektromagnetiska fält och oscillationer av elektrisk laddning på ytan av en metall. På grund av denna fastighet, de kan begränsas mycket hårdare än ljusvågor.

Det elektriskt känsliga ("icke-linjära") materialet inuti slitsen säkerställer att även det minsta elektriska fält som skapas av antennen kommer att starkt påverka utbredningen av plasmonerna. Denna påverkan på vågornas oscillerande fas bevaras när plasmonerna omvandlas tillbaka till ljusvågor i slutet av slitsen. På det här sättet, databitarna i millimetervågorna överförs direkt till ljusvågorna – utan att ta en omväg genom elektronik, och utan extern ström. I ett laboratorieexperiment med mikrovågssignaler vid 60 Gigahertz, forskarna kunde visa dataöverföringshastigheter på upp till 10 Gigabit per sekund över ett avstånd på fem meter, och 20 Gigabit per sekund över en meter.

Billigt och mångsidigt

Förutom den lilla storleken och den försumbara energiförbrukningen, den nya modulatorn har ytterligare ett antal fördelar. "Den direkta överföringen från millimetervågor till ljusvågor gör vår modulator särskilt mångsidig när det gäller datakodningens frekvens och exakta format", understryker Leuthold. Faktiskt, modulatorn är redan kompatibel både med den nya 5G-tekniken och med framtida industristandarder baserade på millimetervågs- ​​och terahertzfrekvenser på 300 Gigahertz och dataöverföringshastigheter på upp till 100 Gigabits per sekund. Dessutom, den kan tillverkas med konventionell kiselteknik, och därmed till en jämförelsevis låg kostnad.

Till sist, Leuthold kan lugna användare som kan vara oroliga för den inblandade elektromagnetiska strålningen. Till skillnad från radiovågorna eller mikrovågorna i ett WiFi-modem, som sprider sig jämnt i alla riktningar, millimetervågor kan vara starkt fokuserade för överföring till utsidan och bara fortplanta sig mellan takantennen och en ljusstolpe inuti en stråle som är tjugo centimeter i diameter. Detta minskar kraften som behövs för överföring kraftigt jämfört med andra trådlösa tekniker. Det eliminerar också de typiska problemen med WiFi-modem, vars signaler kan komma i vägen för varandra.