Onderzoekers van ETH Zürich hebben een modulator ontwikkeld waarmee gegevens die via millimetergolven worden verzonden direct kunnen worden omgezet in lichtpulsen voor optische vezels. Dit zou het afleggen van de "last mile" tot aan het internetaansluiting thuis aanzienlijk sneller en goedkoper kunnen maken.

De hoge oscillatiefrequenties van lichtgolven maken ze bij uitstek geschikt voor snelle gegevensoverdracht. Ze kunnen via optische vezels worden verzonden en dragen gemakkelijk honderden miljarden bits (gigabits) per seconde. De "last mile" van een centrale glasvezelkabel naar het internetaansluiting in huis, echter, is het moeilijkst en duurst. Enkele alternatieven, bijvoorbeeld 4/5G mobiele telefonie, zijn goedkoper, maar ze kunnen niet alle gebruikers tegelijkertijd de extreem hoge transmissiesnelheden bieden die nodig zijn voor de hedendaagse dataverslindende toepassingen zoals het streamen van tv.

Jurg Leuthold, professor aan het Instituut voor Elektromagnetische Velden aan de ETH Zürich, en zijn medewerkers hebben nu, met steun van collega's van de Universiteit van Washington in Seattle, ontwikkelde een nieuwe lichtmodulator die het in de toekomst mogelijk zal maken om de laatste mijl efficiënt en tegen lage kosten af ​​te leggen met hoogfrequente microgolven – zogenaamde millimetergolven – en dus hoge datatransmissiesnelheden.

Lichtmodulator zonder elektronica

Om gegevens gecodeerd in optische vezels door een variatie in de lichtintensiteit op millimetergolven over te brengen, er zijn zeer snelle – en dus dure – elektronische componenten nodig. In tegengestelde richting, millimetergolven moeten eerst door een antenne worden opgevangen, vervolgens versterkt en gemixt tot de basisband en uiteindelijk geïnjecteerd in een lichtmodulator, die de gegevens in de radiogolven weer omzet in lichtpulsen.

Leuthold en zijn collega's zijn er nu in geslaagd een lichtmodulator te bouwen die geheel zonder batterijen en elektronica werkt. "Dat maakt onze modulator volledig onafhankelijk van externe voedingen en, Daarbovenop, extreem klein, zodat het kan, in principe, op elke lantaarnpaal worden gemonteerd. Vanaf daar, het kan dan gegevens ontvangen via microgolfsignalen van individuele huizen en deze rechtstreeks in de centrale optische vezel invoeren", legt Yannick Salamin uit, een doctoraat student die een cruciale bijdrage heeft geleverd aan de ontwikkeling van de nieuwe modulator.

Modulatie door plasmonen

De door de ETH-onderzoekers gebouwde modulator bestaat uit een chip van minder dan een millimeter waarin ook de microgolfantenne zit. Die antenne ontvangt de millimetergolven en zet ze om in elektrische spanning. De spanning werkt dan op een dunne gleuf in het midden van de chip - het eigenlijke hart van de modulator. Daar, een smalle spleet, slechts een paar micrometer lang en minder dan honderd nanometer breed, is gevuld met een materiaal dat bijzonder gevoelig is voor elektrische velden. De lichtstraal van de vezel wordt in die spleet gevoerd. Binnen de spleet, echter, het licht plant zich – anders dan de glasvezelkabel of lucht – niet meer voort als een elektromagnetische golf, maar als een zogenaamd plasmon. Plasmonen zijn hybride wezens gemaakt van elektromagnetische velden en oscillaties van elektrische lading aan het oppervlak van een metaal. Dankzij deze eigenschap ze kunnen veel strakker worden opgesloten dan lichtgolven.

Het elektrisch gevoelige ("niet-lineaire") materiaal in de spleet zorgt ervoor dat zelfs het kleinste elektrische veld dat door de antenne wordt gecreëerd, de voortplanting van de plasmonen sterk zal beïnvloeden. Die invloed op de oscillerende fase van de golven blijft behouden wanneer de plasmonen aan het einde van de spleet weer worden omgezet in lichtgolven. Op deze manier, de databits in de millimetergolven worden direct op de lichtgolven overgedragen - zonder een omweg door elektronica, en zonder enige externe kracht. In een laboratoriumexperiment met microgolfsignalen van 60 Gigahertz, konden de onderzoekers datatransmissiesnelheden tot 10 Gigabit per seconde aantonen over een afstand van vijf meter, en 20 Gigabit per seconde over een meter.

Goedkoop en veelzijdig

Naast het kleine formaat en het verwaarloosbare energieverbruik, de nieuwe modulator heeft nog een aantal andere voordelen. "De directe overdracht van millimetergolven naar lichtgolven maakt onze modulator bijzonder veelzijdig met betrekking tot de frequentie en het exacte formaat van gegevenscodering", Leuthold benadrukt. In feite, de modulator is al compatibel met zowel de nieuwe 5G-technologie als met toekomstige industriestandaarden op basis van millimetergolf- en terahertz-frequenties van 300 Gigahertz en datatransmissiesnelheden tot 100 Gigabit per seconde. Bovendien, het kan worden geproduceerd met behulp van conventionele siliciumtechnologie, en dus tegen relatief lage kosten.

Eindelijk, Leuthold kan gebruikers geruststellen die zich mogelijk zorgen maken over de betrokken elektromagnetische straling. Anders dan de radiogolven of microgolven van een wifi-modem, die zich gelijkmatig in alle richtingen voortplanten, millimetergolven kunnen sterk worden gericht voor transmissie naar buiten en planten zich alleen voort tussen de dakantenne en een lichtmast in een bundel van twintig centimeter in diameter. Dit vermindert sterk het vermogen dat nodig is voor transmissie in vergelijking met andere draadloze technologieën. Het elimineert ook de typische problemen van WiFi-modems, wiens signalen elkaar in de weg kunnen zitten.