Neue Wireless-Technologie 22.11.2018, 07:00 Uhr

Rasantes Internet mit Millimeterwellen-Modem

Ein von Forschern der ETH Zürich entwickelter Modulator verwandelt mittels Millimeterwellen übertragene Daten direkt in Lichtpulse für Glasfasern. Diese erfolgt am eigenen Zuhause, etwa indem der Modulator auf dem Dach angebracht wird. Die „letzte Meile“ bis zum heimischen Internetanschluss kann so viel schneller und billiger werden.

Grafik zum Funktionsprinzip des neuen Modulators.

Die letzte Meile zum heimischen Internetanschluss ist aufwendig und kostspielig. Der neu entwickelte Modulator ist eine kostengünstige Alternative für schnelles Internet. Er verwandelt mittels Millimeterwellen übermittelte Daten (rote Pfeile) direkt in optische Pulse für die Glasfaser (gelb) um.

Foto: Salamin/Nature Photonics 2018

Lichtwellen eignen sich wegen der hohen Schwingungsfrequenz ausgezeichnet zur schnellen Datenübertragung. Sie transportieren pro Sekunde problemlos hunderte Milliarden Bits (Gigabits), wenn sie durch Glasfasern geschickt werden. Der Nachteil: Das letzte Stück von der zentralen Glasfaser bis zum heimischen Internetanschluss ist besonders aufwendig und teuer.

Eine günstige Alternative ist zum Beispiel die 4/5G-Mobiltelefonie. Allerdings sind die Übertragungsraten hier viel niedriger. Bei den datenintensiven Anwendungen von heute wie etwa Streaming-TV ist das ein Problem.

Millimeterwellen-Modulation als Alternative

Ein Team um Jürg Leuthold, Professor am Institut für Elektromagnetische Felder der ETH Zürich hat gemeinsam mit Kollegen der University of Washington in Seattle einen neuartigen Lichtmodulator entwickelt. Er könnte die „letzte Meile“ der Internetverbindung zum heimischen Internetanschluss künftig biller, schneller und energiesparender machen. Der Modulator verwandelt hochfrequente Mikrowellen – so genannte Millimeterwellen – mit hohen Übertragungsraten direkt in Lichtimpulse.

Millimeterwellen sind Mikrowellen, deren Wellenlängen im Millimeterbereich, also zwischen 1 Millimeter und 10 Millimeter liegen. Das entspricht einem Frequenzband von 30 bis 300 Gigahertz. Dieses Frequenzband wird als EHF-Band bezeichnet, wobei EHF für Extremely High Frequency (extrem hohe Frequenz) steht.

Lichtmodulator kommt ohne Elektronik aus

Normalerweise braucht es sehr schnelle und teure Elekktronikbauteile, um Daten die in Millimeterwellen kodiert sind, in Lichtpulse zu verwandeln. Zuerst empfängt eine Antenne die Millimeterwellen. Sie werden verstärkt und anschließend in den Lichtmodulator eingespeist. Dieser übersetzt die enthaltenen Daten in Lichtpulse.

Der Lichtmodulator von Leuthold und seinem Team kommt 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“, erläutert Yannick Salamin, der den neuen Modulator als Doktorand mitentwickelt hat.

Licht breitet sich als Plasmon aus

Der Modulator ist ein wenige Millimeter großer Chip, in den zusätzlich die Millimeterwellenantenne eingebaut ist. Empfängt die Antenne Millimeterwellen, so wandelt sie diese in elektrische Spannung um. Über einem dünnen Spalt in der Mitte des Chips fällt die Spannung dann ab. Der Spalt ist das Herzstück des Modulators. Er ist nur wenige Mikrometer lang und weniger als hundert Nanometer breit. Und er ist mit einem Material gefüllt, das besonders empfindlich auf elektrische Felder reagiert. In diesen Spalt wird der Lichtimpuls der Glasfaser eingespeist.

Anders als in der Glasfaser oder in der Luft breitet sich das Licht nicht mehr als elektromagnetische Welle, sondern als Plasmon aus. Plasmonen sind Zwitterwesen aus elektromagnetischen Feldern und Schwingungen elektrischer Ladung an der Oberfläche von Metallen. Der Vorteil von Plasmonen: Sie lassen sich auf viel engerem Raum einschließen als Lichtwellen.

Das im Spalt befindliche elektrisch sensible Material reagiert auch auf kleinste von der Antenne erzeugte elektrische Felder. Die Ausbreitung der Plasmonen wird so stark beeinflusst. Dieser Einfluss bleibt so lange erhalten, bis die Plasmonen am Ende des Spalts wieder in Lichtwellen umgewandelt werden. Die in den Millimeterwellen enthaltenen Daten-Bits übertragen sich so direkt auf die Lichtwellen. In Tests mit 60 Gigahertz-Millimeterwellensignalen haben die Forscher bereits Datenübertragungsraten von bis zu 10 Gigabit pro Sekunde über eine Distanz von 5 Metern und 20 Gigabit pro Sekunde über eine Entfernung von einem Meter erreicht.

Modulator kompatibel zu gängigen Industriestandards

Zudem mache die direkte Übertragung von Millimeterwellen auf Lichtwellen den Modulator besonders flexibel, was die Frequenzen und das genaue Format der Datenkodierung angehe, so Leuthold. Schon jetzt ist der Modulator mit der neuen 5G-Technologie kompatibel. Und er passt zu künftigen Standards, die Frequenzen von 300 Gigahertz und Übertragungsraten von bis zu 100 Gigabit pro Sekunde vorsehen. Der Modulator kann kostengünstig mittels Silizium-Technologie hergestellt werden.

Zu den möglichen Risiken der elektromagnetischen Strahlung gibt Leuthold Entwarnung. Die Millimeterwellen für die Übertragung nach außen könnten stark gebündelt werden. Sie breiten sich so in einem nur 20 Zentimeter breiten Strahl zwischen Hausantenne und Laternenpfahl aus. Im Gegensatz dazu breiten sich die Radio- und Mikrowellen eines Wifi-Modems gleichmäßig im Raum aus.

Die Sendeleistung könne durch die Bündelung im Vergleich mit anderen Wireless-Technologien reduziert werden. Dadurch entfallen auch die Probleme von Wifi-Modems, deren Signale sich gegenseitig in die Quere kommen können.

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